JP6268253B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が
注目されている。当該トランジスタは集積回路(IC)や画像表示装置(表示装置)のよ
うな電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシ
リコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体材料が注目
されている。
A technique for forming a transistor using a semiconductor thin film formed over a substrate having an insulating surface has attracted attention. The transistor is widely applied to electronic devices such as an integrated circuit (IC) and an image display device (display device). As a semiconductor thin film applicable to a transistor, a silicon-based semiconductor material is widely known, but an oxide semiconductor material has attracted attention as another material.

例えば、トランジスタの活性層として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、及び亜
鉛(Zn)を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている(特許文献1参照
)。
For example, a transistor using an amorphous oxide containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) as an active layer of the transistor is disclosed (see Patent Document 1).

酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタより
も高いオン特性(オン電流など)を有する。
A transistor using an oxide semiconductor has higher on-characteristics (such as on-state current) than a transistor using amorphous silicon.

また、このようなトランジスタに用いる酸化物半導体について、「酸化物半導体は不純物
に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリ
ウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使える」といった
ことも述べられている(非特許文献1参照)。
As for an oxide semiconductor used for such a transistor, “the oxide semiconductor is insensitive to impurities, and there is no problem even if the film contains a considerable amount of metal impurities. It is also stated that inexpensive soda-lime glass containing a large amount can be used (see Non-Patent Document 1).

特開2006−165528号公報JP 2006-165528 A

神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、2009年9月号、Vol.44、pp.621−633Kamiya, Nomura, Hosono, “Physical Properties of Amorphous Oxide Semiconductors and Current Status of Device Development”, Solid State Physics, September 2009, Vol. 44, pp. 621-633

しかしながら、酸化物半導体は不純物に対して鈍感であるという従来の技術認識を真に受
けて、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのデバイス構造及びプロセスの設計を行うと
、ソース領域及びドレイン領域の抵抗が増大する、オン電流が設計値より低下するといっ
た問題が発生する。
However, in response to the conventional technical recognition that oxide semiconductors are insensitive to impurities, when the device structure and process of a transistor using an oxide semiconductor film are designed, the resistance of the source region and the drain region is determined. Increases, and the on-current decreases from the design value.

このような問題に鑑み、開示する発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ
又はこのトランジスタによって構成される半導体装置の性能向上を図ることを目的の一と
する。例えば、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオン電流の低下を抑制し、このよ
うなトランジスタによって構成される半導体装置の動作特性の向上を図ることを目的の一
とする。
In view of such a problem, an object of one embodiment of the disclosed invention is to improve the performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor. For example, it is an object to suppress a reduction in on-state current of a transistor including an oxide semiconductor film and to improve operating characteristics of a semiconductor device including such a transistor.

本発明者らは、酸化物半導体膜中にシリコンなどの不純物が添加されることにより当該酸
化物半導体膜のシート抵抗が増大することを見出した。
The present inventors have found that the sheet resistance of an oxide semiconductor film increases when an impurity such as silicon is added to the oxide semiconductor film.

酸化物半導体膜を用いたトランジスタを微細化するには、酸化物半導体膜の膜厚を極力薄
くすることが望ましい(これにより、例えば短チャネル効果を抑制することができる)。
またトランジスタを微細化するうえで、酸化物半導体膜中にソース領域およびドレイン領
域を自己整合的に形成するために、トランジスタの構造はトップゲート型構造(スタガ型
構造とも言われる。)で形成されることが一般的である。
In order to miniaturize a transistor including an oxide semiconductor film, it is preferable to reduce the thickness of the oxide semiconductor film as much as possible (this can suppress, for example, a short channel effect).
Further, in order to miniaturize a transistor, a source region and a drain region are formed in an oxide semiconductor film in a self-aligned manner, and the structure of the transistor is a top-gate structure (also referred to as a staggered structure). In general.

トップゲート型構造では、酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜を形成する。ゲート絶縁膜の
成膜方法の1つとしてスパッタリング法が用いられる。酸化物半導体膜上にゲート絶縁膜
をスパッタリング法により形成すると、スパッタリングターゲットからはじき飛ばされた
元素が、酸化物半導体膜中に取り込まれてしまうことがある。
In the top gate structure, a gate insulating film is formed over the oxide semiconductor film. A sputtering method is used as one method for forming a gate insulating film. When a gate insulating film is formed over the oxide semiconductor film by a sputtering method, an element which is repelled from the sputtering target may be taken into the oxide semiconductor film.

通常、チャネル領域は、ゲート絶縁膜との界面近傍の酸化物半導体膜中に形成されるが、
ゲート絶縁膜の構成元素が、ゲート絶縁膜との界面近傍の酸化物半導体膜中に取り込まれ
ると、当該領域はシリコンなどの不純物を有する抵抗の高い酸化物半導体膜として機能し
てしまう。そして、オン電流が低下するなどのように、トランジスタの電気特性を低下さ
せる要因となり得る。
Normally, the channel region is formed in an oxide semiconductor film near the interface with the gate insulating film.
When the constituent element of the gate insulating film is taken into the oxide semiconductor film in the vicinity of the interface with the gate insulating film, the region functions as an oxide semiconductor film with high resistance having an impurity such as silicon. Then, it can be a factor of reducing the electrical characteristics of the transistor, such as a reduction in on-current.

このような問題に鑑み、開示する発明の一態様では、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜界面
近傍に取り込まれるシリコンなどの不純物を抑制する。
In view of such a problem, according to one embodiment of the disclosed invention, impurities such as silicon which are incorporated in the vicinity of an interface of a gate insulating film of an oxide semiconductor film are suppressed.

すなわち、本発明の一態様は、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜上のシリコンを含む酸
化物を含むゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上の少なくとも酸化物半導体膜と重畳するゲー
ト電極と、酸化物半導体膜と電気的に接続するソース電極およびドレイン電極を有し、少
なくともゲート電極と重畳する酸化物半導体膜は、ゲート絶縁膜との界面から酸化物半導
体膜に向けてシリコンの濃度が1.1原子%以下の濃度で分布する領域を有する半導体装
置である。
That is, according to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor film, a gate insulating film including an oxide containing silicon over the oxide semiconductor film, a gate electrode overlapping with at least the oxide semiconductor film over the gate insulating film, The oxide semiconductor film which has a source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor film and overlaps at least the gate electrode has a silicon concentration of 1 from the interface with the gate insulating film toward the oxide semiconductor film. A semiconductor device having a region distributed at a concentration of 1 atomic% or less.

なお、上述の構造において、当該領域はゲート絶縁膜との界面からの厚さが5nm以下の
範囲に存在し、当該領域以外に含まれるシリコンの濃度は当該領域に含まれるシリコンの
濃度より小さいことが好ましい。
Note that in the above structure, the region has a thickness of 5 nm or less from the interface with the gate insulating film, and the concentration of silicon contained outside the region is smaller than the concentration of silicon contained in the region. Is preferred.

また、上述の構造において、当該領域に含まれるシリコンの濃度は、好ましくは0.83
原子%以下、より好ましくは0.1原子%以下とすることが望ましい。
In the above structure, the concentration of silicon contained in the region is preferably 0.83.
It is desirable that the atomic% or less, more preferably 0.1 atomic% or less.

また、上述の構成において、ゲート絶縁膜は炭素を含み、当該領域において炭素濃度が1
.0×1020atoms/cm以下となることが好ましい。
In the above structure, the gate insulating film contains carbon, and the carbon concentration is 1 in the region.
. It is preferably 0 × 10 20 atoms / cm 3 or less.

また、上記において、酸化物半導体膜は結晶性を有してもよいし、酸化物半導体膜は非晶
質構造を有してもよい。
In the above, the oxide semiconductor film may have crystallinity, and the oxide semiconductor film may have an amorphous structure.

開示する発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ又は該トランジスタによ
って構成される半導体装置の性能向上を図ることができる。
According to one embodiment of the disclosed invention, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved.

また、開示する発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いたトランジスタのオン電流の低下
を抑制し、該トランジスタによって構成される半導体装置の動作特性の向上を図ることが
できる。
Further, according to one embodiment of the disclosed invention, a reduction in on-state current of a transistor including an oxide semiconductor film can be suppressed, so that operating characteristics of a semiconductor device including the transistor can be improved.

半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の一態様を示す平面図及び断面図。9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view illustrating one embodiment of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程の一例を示す断面図。9 is a cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 半導体装置の構成の一例を表す図。FIG. 10 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 電子機器を示す図。FIG. 9 illustrates an electronic device. 本発明の一実施例に係る測定結果を示すグラフ。The graph which shows the measurement result which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result which concerns on one Example of this invention.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱すること
なくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従
って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings.
However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.

以下に説明する実施の形態において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の
符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
In the embodiments described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実
際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必
ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
Note that the position, size, range, and the like of each component illustrated in the drawings and the like may not represent the actual position, size, range, or the like for easy understanding. Therefore, the disclosed invention is not necessarily limited to the position, size, range, or the like disclosed in the drawings and the like.

また、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの序数は、構成要素の混同
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
In addition, ordinal numbers such as “first”, “second”, and “third” in this specification and the like are added to avoid confusion between components, and are not limited numerically. To do.

また、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」また
は「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極
」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外し
ない。
Further, in this specification and the like, the terms “upper” and “lower” do not limit that the positional relationship between the constituent elements is “directly above” or “directly below”. For example, the expression “a gate electrode over a gate insulating layer” does not exclude the case where another component is included between the gate insulating layer and the gate electrode.

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限
定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、
その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配
線」が一体となって形成されている場合なども含む。
Further, in this specification and the like, the terms “electrode” and “wiring” do not functionally limit these components. For example, an “electrode” may be used as part of a “wiring”
The reverse is also true. Furthermore, the terms “electrode” and “wiring” include a case where a plurality of “electrodes” and “wirings” are integrally formed.

また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため
、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることが
できるものとする。
In addition, the functions of “source” and “drain” may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms “source” and “drain” can be used interchangeably.

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ
などのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有す
る素子などが含まれる。
In addition, in this specification and the like, “electrically connected” includes a case of being connected via “thing having some electric action”. Here, the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets.
For example, “thing having some electric action” includes electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図1乃至図3を用
いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

<半導体装置の構成例>
図1(A)および図1(B)に、半導体装置の例として、トップゲート構造のトランジス
タの平面図および断面図の一例を示す。図1(A)は平面図であり、図1(B)は、図1
(A)における一点鎖線A−B断面の断面図である。なお、図1(A)では、煩雑になる
ことを避けるため、トランジスタ150の構成要素の一部(例えば、基板100など)を
省略している。
<Configuration example of semiconductor device>
1A and 1B illustrate an example of a plan view and a cross-sectional view of a top-gate transistor as an example of a semiconductor device. FIG. 1A is a plan view, and FIG.
It is sectional drawing of the dashed-dotted line AB cross section in (A). Note that in FIG. 1A, some components of the transistor 150 (e.g., the substrate 100) are omitted to avoid complexity.

図1(A)および図1(B)に示すトランジスタ150は、基板100上に、絶縁膜10
2と、酸化物半導体膜106と、ゲート絶縁膜108と、少なくとも酸化物半導体膜と重
畳するゲート電極110と、酸化物半導体膜106と電気的に接続するソース電極114
aおよびドレイン電極114bを有している。
A transistor 150 illustrated in FIGS. 1A and 1B includes an insulating film 10 over a substrate 100.
2, the oxide semiconductor film 106, the gate insulating film 108, at least the gate electrode 110 overlapping with the oxide semiconductor film, and the source electrode 114 electrically connected to the oxide semiconductor film 106.
a and a drain electrode 114b.

酸化物半導体膜106は、単結晶、多結晶(ポリクリスタルともいう。)または非晶質な
どの状態をとる。なお、酸化物半導体膜106の膜厚は、5nmより大きく200nm以
下とし、好ましくは10nm以上30nm以下とする。
The oxide semiconductor film 106 is in a single crystal state, a polycrystalline (also referred to as polycrystal) state, an amorphous state, or the like. Note that the thickness of the oxide semiconductor film 106 is greater than 5 nm and less than or equal to 200 nm, preferably greater than or equal to 10 nm and less than or equal to 30 nm.

好ましくは、酸化物半導体膜は、CAAC−OS(C Axis Aligned Cr
ystalline Oxide Semiconductor)膜とする。
Preferably, the oxide semiconductor film is a CAAC-OS (C Axis Aligned Cr).
(ystalline Oxide Semiconductor) film.

CAAC−OS膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜
は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜で
ある。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであること
が多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electro
n Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と
結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレ
インバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に
起因する電子移動度の低下が抑制される。
The CAAC-OS film is not completely single crystal nor completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a crystal-amorphous mixed phase structure where crystal parts and amorphous parts are included in an amorphous phase. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. In addition, a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron)
n Microscope), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. Further, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角
形状または六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または
金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸お
よびb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、8
5°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−5
°以上5°以下の範囲も含まれることとする。
In the crystal part included in the CAAC-OS film, the c-axis is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, and triangular when viewed from the direction perpendicular to the ab plane. It has a shape or hexagonal atomic arrangement, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In the present specification, when simply described as vertical, 8
The range of 5 ° to 95 ° is also included. In addition, when simply described as parallel, −5
A range of not less than 5 ° and not more than 5 ° is also included.

なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAA
C−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形
成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CA
AC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶
質化することもある。
Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, CAA
In the formation process of the C-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film may be higher in the vicinity of the surface. CA
When an impurity is added to the AC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.

CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成
面の断面形状または表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。な
お、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクト
ルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、また
は成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film (formation surface) Depending on the cross-sectional shape of the surface or the cross-sectional shape of the surface). Note that the c-axis direction of the crystal part is parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.

CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動
が小さい。
In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small.

CAAC−OS膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを
用い、スパッタリング法によって成膜する。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが
衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がa−b面から劈開し、a
−b面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離する
ことがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基
板に到達することで、CAAC−OS膜を成膜することができる。
For example, the CAAC-OS film is formed by a sputtering method using a polycrystalline oxide semiconductor sputtering target. When ions collide with the sputtering target, the crystal region included in the sputtering target is cleaved from the ab plane, and a
It may peel off as flat or pellet-like sputtered particles having a plane parallel to the -b plane. In this case, the flat-plate-like sputtered particle reaches the substrate while maintaining a crystalline state, whereby a CAAC-OS film can be formed.

また、CAAC−OS膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。 In order to form the CAAC-OS film, the following conditions are preferably applied.

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制でき
る。例えば、成膜室内に存在する不純物濃度(水素、水、二酸化炭素および窒素など)を
低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が
−80℃以下、好ましくは−100℃以下である成膜ガスを用いる。
By reducing the mixing of impurities during film formation, the crystal state can be prevented from being broken by impurities. For example, the concentration of impurities (such as hydrogen, water, carbon dioxide, and nitrogen) existing in the deposition chamber may be reduced. Further, the impurity concentration in the deposition gas may be reduced. Specifically, a deposition gas having a dew point of −80 ° C. or lower, preferably −100 ° C. or lower is used.

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグ
レーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を100℃以上740℃以下、好ましく
は200℃以上500℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平
板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、
スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
Further, by increasing the substrate heating temperature during film formation, migration of sputtered particles occurs after reaching the substrate. Specifically, the film is formed at a substrate heating temperature of 100 ° C. to 740 ° C., preferably 200 ° C. to 500 ° C. By increasing the substrate heating temperature during film formation, when flat sputtered particles reach the substrate, migration occurs on the substrate,
The flat surface of the sputtered particles adheres to the substrate.

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージ
を軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、30体積%以上、好ましくは100体
積%とする。
In addition, it is preferable to reduce plasma damage during film formation by increasing the oxygen ratio in the film formation gas and optimizing electric power. The oxygen ratio in the deposition gas is 30% by volume or more, preferably 100% by volume.

スパッタリング用ターゲットの一例として、In−Ga−Zn−O化合物ターゲットにつ
いて以下に示す。
As an example of the sputtering target, an In—Ga—Zn—O compound target is described below.

InO粉末、GaO粉末およびZnO粉末を所定のmol数で混合し、加圧処理後
、1000℃以上1500℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるIn−Ga
−Zn−O化合物ターゲットとする。なお、X、YおよびZは任意の正数である。ここで
、所定のmol数比は、例えば、InO粉末、GaO粉末およびZnO粉末が、2
:2:1、8:4:3、3:1:1、1:1:1、4:2:3または3:1:2である。
なお、粉末の種類、およびその混合するmol数比は、作製するスパッタリング用ターゲ
ットによって適宜変更すればよい。
In-Ga that is polycrystalline by mixing InO X powder, GaO Y powder, and ZnO Z powder in a predetermined number of moles, and after heat treatment at a temperature of 1000 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
—Zn—O compound target. X, Y and Z are arbitrary positive numbers. Here, the predetermined mole number ratio is, for example, 2 for InO X powder, GaO Y powder, and ZnO Z powder.
: 2: 1, 8: 4: 3, 3: 1: 1, 1: 1: 1, 4: 2: 3 or 3: 1: 2.
Note that the type of powder and the mol number ratio to be mixed may be changed as appropriate depending on the sputtering target to be manufactured.

また、図1(B)に示すように、酸化物半導体膜106は端部に20°乃至50°のテー
パー角を有していることが好ましい。なお、テーパー角とは、テーパー形状を有する膜(
例えば、酸化物半導体膜106)を、その断面(基板の表面と直交する面)に垂直な方向
から観察した際に、当該膜の側面と底面がなす傾斜角を示す。酸化物半導体膜106の端
部が垂直であると酸化物半導体膜106から酸素が抜けやすく酸素欠損を生じやすいが、
酸化物半導体膜106の端部にテーパー角を有することで酸素欠損の発生を抑制し、トラ
ンジスタ150のリーク電流の発生を低減することができる。
As illustrated in FIG. 1B, the oxide semiconductor film 106 preferably has a taper angle of 20 ° to 50 ° at an end portion. The taper angle is a film having a taper shape (
For example, when the oxide semiconductor film 106) is observed from a direction perpendicular to a cross section thereof (a plane orthogonal to the surface of the substrate), an inclination angle formed between a side surface and a bottom surface of the film is shown. When the end portion of the oxide semiconductor film 106 is vertical, oxygen is easily released from the oxide semiconductor film 106, and oxygen vacancies are easily generated.
When the end portion of the oxide semiconductor film 106 has a taper angle, generation of oxygen vacancies can be suppressed and generation of leakage current of the transistor 150 can be reduced.

酸化物半導体膜106に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム(In)あ
るいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また
、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライ
ザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビラ
イザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニ
ウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、スカンジウム(Sc)、イット
リウム(Y)、ランタノイド(例えば、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、ガドリニ
ウム(Gd))から選ばれた一種又は複数種が含まれていることが好ましい。
An oxide semiconductor used for the oxide semiconductor film 106 preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, In and Zn are preferably included. In addition, it is preferable that gallium (Ga) be included in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Further, the stabilizer is selected from hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanoid (eg, cerium (Ce), neodymium (Nd), gadolinium (Gd)). It is preferable that one or more of these are included.

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化
物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系
酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の
酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系
酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸
化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−Zr−Zn系酸化
物、In−Ti−Zn系酸化物、In−Sc−Zn系酸化物、In−Y−Zn系酸化物、
In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、I
n−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In
−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−
Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Y
b−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−
Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化
物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−
Al−Zn系酸化物を用いることができる。
For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides such as In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide Oxides, Sn—Mg oxides, In—Mg oxides, In—Ga oxides, In—Ga—Zn oxides (also referred to as IGZO) which are oxides of ternary metals, In— Al-Zn oxide, In-Sn-Zn oxide, Sn-Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide In-Zr-Zn-based oxide, In-Ti-Zn-based oxide, In-Sc-Zn-based oxide, In-Y-Zn-based oxide,
In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, I
n-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu-Zn-based oxide, In
-Gd-Zn-based oxide, In-Tb-Zn-based oxide, In-Dy-Zn-based oxide, In-
Ho-Zn oxide, In-Er-Zn oxide, In-Tm-Zn oxide, In-Y
b—Zn-based oxide, In—Lu—Zn-based oxide, In—Sn— that is an oxide of a quaternary metal
Ga-Zn oxide, In-Hf-Ga-Zn oxide, In-Al-Ga-Zn oxide, In-Sn-Al-Zn oxide, In-Sn-Hf-Zn oxide , In-Hf-
An Al—Zn-based oxide can be used.

ここで、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物
という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の
金属元素が入っていてもよい。
Here, the In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.

また、酸化物半導体として、InMO(ZnO)(m>0、且つ、mは整数でない)
で表記される材料を用いてもよい。なお、Mは、Ga、Fe、Mn及びCoから選ばれた
一の金属元素または複数の金属元素、若しくは上記のスタビライザーとしての元素を示す
。また、酸化物半導体として、InSnO(ZnO)(n>0、且つ、nは整数)
で表記される材料を用いてもよい。
In addition, as an oxide semiconductor, InMO 3 (ZnO) m (m> 0 and m is not an integer)
A material represented by may be used. Note that M represents one metal element or a plurality of metal elements selected from Ga, Fe, Mn, and Co, or the above-described element as a stabilizer. As an oxide semiconductor, In 2 SnO 5 (ZnO) n (n> 0 and n is an integer)
A material represented by may be used.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1、In:Ga:Zn=3:1:2、In:Ga:
Zn=1:3:2あるいはIn:Ga:Zn=2:1:3の原子数比のIn−Ga−Zn
系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, In: Ga: Zn = 3: 1: 2, In: Ga:
In—Ga—Zn with an atomic ratio of Zn = 1: 3: 2 or In: Ga: Zn = 2: 1: 3
A system oxide or an oxide in the vicinity of the composition may be used.

ゲート絶縁膜108は、十分な耐圧および絶縁性を有する酸化物絶縁膜を用いることが好
ましい。ゲート絶縁膜108を単層構造とする場合には、例えば、酸化シリコン膜のよう
なシリコンを含む酸化物を含む絶縁膜を用いればよい。
As the gate insulating film 108, an oxide insulating film having sufficient withstand voltage and insulating property is preferably used. In the case where the gate insulating film 108 has a single-layer structure, for example, an insulating film containing an oxide containing silicon such as a silicon oxide film may be used.

また、ゲート絶縁膜108を積層構造としても良い。ゲート絶縁膜108を積層構造とす
る場合、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化
アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ランタンまたは窒化酸化シリコンなどを酸化シリ
コン上に積層すればよい。また、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート(HfSi
x>0、y>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiO(x
>0、y>0))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))など
のhigh−k材料を酸化シリコン上に積層すればよい。また、high−k材料を用い
ることでゲートリーク電流を低減することができる。
Alternatively, the gate insulating film 108 may have a stacked structure. In the case where the gate insulating film 108 has a stacked structure, gallium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, yttrium oxide, lanthanum oxide, silicon nitride oxide, or the like may be stacked over silicon oxide. Also, hafnium oxide, hafnium silicate (HfSi x O
y x> 0, y> 0)), nitrogen-added hafnium silicate (HfSiO x N y (x
> 0, y> 0)), high-k materials such as hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0)) may be stacked on silicon oxide. In addition, gate leakage current can be reduced by using a high-k material.

ゲート絶縁膜108として酸化物絶縁膜を用いることにより、当該酸化物絶縁膜を加熱す
ることにより酸素を放出させることができるので、酸化物半導体膜106に酸素を供給し
、酸化物半導体膜106中の酸素欠損を補填することができる。特に、ゲート絶縁膜10
8中(バルク中)に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましく、
例えば、ゲート絶縁膜108として、SiO2+α(ただし、α>0)で表される酸化シ
リコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜をゲート絶縁膜108とし
て用いることで、酸化物半導体膜106に酸素を供給することができ、当該酸化物半導体
膜106を用いたトランジスタ150のトランジスタ特性を良好にすることができる。
By using an oxide insulating film as the gate insulating film 108, oxygen can be released by heating the oxide insulating film; therefore, oxygen is supplied to the oxide semiconductor film 106 and the oxide semiconductor film 106 Can compensate for oxygen deficiency. In particular, the gate insulating film 10
8 (in the bulk) preferably has an amount of oxygen at least exceeding the stoichiometric ratio,
For example, as the gate insulating film 108, a silicon oxide film represented by SiO 2 + α (where α> 0) is preferably used. By using such a silicon oxide film as the gate insulating film 108, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 106, and the transistor characteristics of the transistor 150 including the oxide semiconductor film 106 can be improved. it can.

なお、上述の「加熱処理により酸素を放出する」とは、TDS(Thermal Des
orption Spectroscopy:昇温脱離ガス分光法)にて、酸素分子の放
出量が1.0×1018分子/cm以上、好ましくは3.0×1019分子/cm
上、さらに好ましくは1.0×1020分子/cm以上であることをいう。
Note that the above-mentioned “release oxygen by heat treatment” means TDS (Thermal Des.
The amount of released oxygen molecules is 1.0 × 10 18 molecules / cm 3 or more, preferably 3.0 × 10 19 molecules / cm 3 or more, more preferably 1 0.0 × 10 20 molecules / cm 3 or more.

しかしながら、ゲート絶縁膜108として酸化シリコン膜を用いる場合、ゲート絶縁膜1
08中のシリコンなどが不純物として酸化物半導体膜106に取り込まれるおそれがある
。酸化物半導体膜106にシリコンなどが不純物として取り込まれることにより、酸化物
半導体膜106の抵抗が増大してしまう。
However, when a silicon oxide film is used as the gate insulating film 108, the gate insulating film 1
There is a possibility that silicon or the like in 08 is taken into the oxide semiconductor film 106 as an impurity. When silicon or the like is taken into the oxide semiconductor film 106 as an impurity, the resistance of the oxide semiconductor film 106 is increased.

そこで、本実施の形態に示す半導体装置では、ゲート絶縁膜108から酸化物半導体膜1
06の界面近傍に取り込まれるシリコンなどの不純物を抑制する。具体的には、酸化物半
導体膜106において、ゲート絶縁膜108との界面から酸化物半導体膜106に向けて
シリコンの濃度が1.1原子%以下の濃度で分布する領域を形成する。なお、本明細書等
では、当該領域を領域106aと呼称する。また、領域106aに含まれるシリコンの濃
度は、0.83原子%以下であるとより好ましく、0.1原子%以下であると更に好まし
い。また、領域106aは、ゲート絶縁膜108との界面からの厚さが5nm以下の範囲
に存在することが好ましい。
Thus, in the semiconductor device described in this embodiment, the oxide semiconductor film 1 is formed from the gate insulating film 108.
Impurities such as silicon incorporated in the vicinity of the interface of 06 are suppressed. Specifically, in the oxide semiconductor film 106, a region in which the silicon concentration is distributed at a concentration of 1.1 atomic% or less from the interface with the gate insulating film 108 toward the oxide semiconductor film 106 is formed. Note that in this specification and the like, this region is referred to as a region 106a. The concentration of silicon contained in the region 106a is more preferably 0.83 atomic% or less, and further preferably 0.1 atomic% or less. The region 106a preferably exists in a range where the thickness from the interface with the gate insulating film 108 is 5 nm or less.

なお、酸化物半導体膜106の領域106a以外の領域を領域106bと示す。また、領
域106bに含まれるシリコンの濃度は、領域106aに含まれるシリコンの濃度より小
さくなる。
Note that a region other than the region 106a in the oxide semiconductor film 106 is referred to as a region 106b. Further, the concentration of silicon contained in the region 106b is lower than the concentration of silicon contained in the region 106a.

また、ゲート絶縁膜108に炭素などの不純物が含まれる場合、これも上記のシリコンと
同様に酸化物半導体膜106に不純物として取り込まれるおそれがある。そこで、領域1
06aに含まれる炭素濃度は1.0×1020atoms/cm以下、より好ましくは
1.0×1019atoms/cm以下とする。
Further, in the case where the gate insulating film 108 contains an impurity such as carbon, there is a possibility that this is also taken into the oxide semiconductor film 106 as an impurity, like the above silicon. Therefore, region 1
The concentration of carbon contained in 06a is 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

このように、酸化物半導体膜106の領域106aに取り込まれるシリコンなどの不純物
を低減することにより、酸化物半導体膜106を用いたトランジスタ150のオン電流の
低下を抑制することができる。よって、トランジスタ150によって構成される半導体装
置の動作特性の向上を図ることができる。そして、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ
又は該トランジスタによって構成される半導体装置の性能向上を図ることができる。
In this manner, by reducing impurities such as silicon taken into the region 106a of the oxide semiconductor film 106, a reduction in on-state current of the transistor 150 including the oxide semiconductor film 106 can be suppressed. Thus, the operating characteristics of the semiconductor device including the transistor 150 can be improved. In addition, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved.

なお、その他の構成要素の詳細については、後述するトランジスタ150の作製方法にお
いて、図2(A)乃至図3(D)を用いて説明する。
Note that details of other components will be described with reference to FIGS. 2A to 3D in a method for manufacturing the transistor 150 described later.

なお、トランジスタ150上には、さらに絶縁膜や平坦化絶縁膜が設けられていてもよい
Note that an insulating film or a planarization insulating film may be further provided over the transistor 150.

以下、図2および図3を用いて、図1に示すトランジスタ150の作製工程の例について
説明する。
Hereinafter, an example of a manufacturing process of the transistor 150 illustrated in FIGS. 1A to 1C will be described with reference to FIGS.

<トランジスタ150の作製工程>
まず、絶縁表面を有する基板100を準備し、基板100上に絶縁膜102を形成する(
図2(A)参照。)。
<Manufacturing Process of Transistor 150>
First, a substrate 100 having an insulating surface is prepared, and an insulating film 102 is formed over the substrate 100 (
Refer to FIG. ).

絶縁表面を有する基板100に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なく
とも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリ
ウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、
石英基板、サファイア基板などの基板を用いることができる。また、絶縁表面を有してい
れば、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲ
ルマニウムなどの化合物半導体基板、SOI基板などを適用することも可能である。
There is no particular limitation on a substrate that can be used as the substrate 100 having an insulating surface as long as it has heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, glass substrates such as barium borosilicate glass and alumino borosilicate glass, ceramic substrates,
A substrate such as a quartz substrate or a sapphire substrate can be used. Alternatively, a single crystal semiconductor substrate such as silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as silicon germanium, an SOI substrate, or the like can be used as long as it has an insulating surface.

また、基板100として、可撓性基板を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性
基板上に酸化物半導体膜106を含むトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基
板に酸化物半導体膜106を含むトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置
してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物
半導体膜106を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
Further, a flexible substrate may be used as the substrate 100. In the case where a flexible substrate is used, a transistor including the oxide semiconductor film 106 may be directly formed over the flexible substrate, or a transistor including the oxide semiconductor film 106 may be formed over another manufacturing substrate and then transferred. You may peel and transfer to a flexible substrate. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor including the oxide semiconductor film 106.

絶縁膜102は、基板100からの不純物の拡散(例えば水素、水分など。)を防止する
役割を担い、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリ
コン膜から選ばれた一又は複数の膜による単層構造または積層構造により形成することが
できる。絶縁膜102として、酸化物絶縁膜を用いることにより、後述する熱処理によっ
て当該酸化物絶縁膜の酸素の一部を脱離させることができるので、酸化物半導体膜106
に酸素を供給し、酸化物半導体膜106中の酸素欠損を補填することができる。特に、絶
縁膜102中(バルク中)に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好
ましく、例えば、絶縁膜102として、SiO2+α(ただし、α>0)で表される酸化
シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜を絶縁膜102として用
いることで、上述のとおり加熱処理により酸化物半導体膜106に酸素を供給することが
でき、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタ150のトランジスタ特性を良好にする
ことができる。
The insulating film 102 plays a role of preventing diffusion of impurities (eg, hydrogen, moisture, and the like) from the substrate 100, and is selected from a silicon nitride film, a silicon oxide film, a silicon nitride oxide film, or a silicon oxynitride film. Alternatively, a single-layer structure or a stacked structure using a plurality of films can be used. When an oxide insulating film is used as the insulating film 102, part of oxygen in the oxide insulating film can be eliminated by heat treatment to be described later, the oxide semiconductor film 106
Oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 106 to fill oxygen vacancies. In particular, it is preferable that oxygen in an amount exceeding at least the stoichiometric ratio is present in the insulating film 102 (in the bulk). For example, the insulating film 102 may be silicon oxide represented by SiO 2 + α (where α> 0). It is preferable to use a membrane. By using such a silicon oxide film as the insulating film 102, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 106 by heat treatment as described above, and the transistor characteristics of the transistor 150 including the oxide semiconductor film are favorable. Can be.

なお、基板100上に絶縁膜102を成膜する前や、絶縁膜102上に酸化物半導体膜1
06を成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、
基板100の表面や絶縁膜102の表面に付着している粉状物質(パーティクル、ごみと
もいう)や有機物を除去することが好ましい。逆スパッタとは、基板に電圧を印加し、基
板近傍にプラズマを形成して、基板側の表面を改質する方法である。なお、アルゴンに代
えて、窒素、ヘリウム、酸素などのガスを用いてもよい。
Note that the oxide semiconductor film 1 is not formed on the insulating film 102 or before the insulating film 102 is formed over the substrate 100.
Before forming 06, reverse sputtering is performed to generate plasma by introducing argon gas,
It is preferable to remove powder substances (also referred to as particles or dust) and organic substances attached to the surface of the substrate 100 or the surface of the insulating film 102. Reverse sputtering is a method of modifying the surface on the substrate side by applying a voltage to the substrate to form plasma in the vicinity of the substrate. Note that instead of argon, a gas such as nitrogen, helium, or oxygen may be used.

また、後の工程にて絶縁膜102上に酸化物半導体膜106を成膜する際に、酸化物半導
体膜106に水素、又は水がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜10
6の成膜工程の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁膜102が成膜さ
れた基板を予備加熱し、基板100及び絶縁膜102に吸着した水素、水分などの不純物
を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段は、水分の排気能
力の高いクライオポンプおよび水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプ(単にイオン
ポンプとも言われる。)を組み合わせることが有効となる。また、このとき、不活性ガス
を導入しながら不純物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水分などの脱離速
度をさらに大きくすることができる。
In order to prevent hydrogen or water from being contained in the oxide semiconductor film 106 as much as possible when the oxide semiconductor film 106 is formed over the insulating film 102 in a later step, the oxide semiconductor film 10
As a pretreatment for the film forming step 6, the substrate on which the insulating film 102 is formed is preheated in the preheating chamber of the sputtering apparatus, and impurities such as hydrogen and moisture adsorbed on the substrate 100 and the insulating film 102 are desorbed and exhausted. It is preferable to do. Note that the exhaust means provided in the preheating chamber is effectively a combination of a cryopump having a high moisture exhaust capability and a sputter ion pump (also simply referred to as an ion pump) having a high hydrogen exhaust capability. At this time, if impurities are removed while introducing an inert gas, it is possible to further increase the desorption rate of moisture or the like that is difficult to desorb only by exhausting.

なお、絶縁膜102は必ずしも設ける必要はない。例えば、水素、水分などの不純物が十
分に低減された基板100を用いる場合は、絶縁膜102を設けない構造としてもよい。
Note that the insulating film 102 is not necessarily provided. For example, in the case of using the substrate 100 in which impurities such as hydrogen and moisture are sufficiently reduced, a structure without the insulating film 102 may be employed.

次に、絶縁膜102上に、酸化物半導体膜106を成膜する(図2(B)参照)。酸化物
半導体膜106の膜厚は、1nm以上膜厚50nm以下、好ましくは1nm以上30nm
以下、より好ましくは1nm以上10nm以下、更に好ましくは3nm以上7nm以下と
する。酸化物半導体膜106の膜厚を上述の膜厚とすることにより、トランジスタ150
の短チャネル効果を抑制することができる。
Next, the oxide semiconductor film 106 is formed over the insulating film 102 (see FIG. 2B). The thickness of the oxide semiconductor film 106 is 1 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 30 nm.
Hereinafter, it is more preferably 1 nm to 10 nm, and further preferably 3 nm to 7 nm. By setting the thickness of the oxide semiconductor film 106 to the above thickness, the transistor 150
The short channel effect can be suppressed.

酸化物半導体膜106は、上述のように単結晶、多結晶(ポリクリスタルともいう。)ま
たは非晶質などの状態をとり、好ましくは、酸化物半導体膜は、CAAC−OS(C A
xis Aligned Crystalline Oxide Semiconduc
tor)膜とする。
The oxide semiconductor film 106 is in a single crystal state, a polycrystalline (also referred to as polycrystal) state, an amorphous state, or the like as described above. Preferably, the oxide semiconductor film is a CAAC-OS (CA).
xis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor
tor) film.

本実施の形態では、酸化物半導体膜106としてIn−Ga−Zn系酸化物ターゲットを
用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜106は、希ガス(代表
的にはアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下においてス
パッタ法により形成することができる。
In this embodiment, the oxide semiconductor film 106 is formed by a sputtering method using an In—Ga—Zn-based oxide target. The oxide semiconductor film 106 can be formed by a sputtering method in a rare gas (typically argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a mixed atmosphere of a rare gas and oxygen.

酸化物半導体膜106としてIn−Ga−Zn−O膜をスパッタリング法で作製するため
のターゲットとしては、例えば、原子数比がIn:Ga:Zn=1:1:1の酸化物ター
ゲットや、原子数比がIn:Ga:Zn=3:1:2の酸化物ターゲットや、原子数比が
In:Ga:Zn=1:3:2の酸化物ターゲットや、原子数比がIn:Ga:Zn=2
:1:3の酸化物ターゲットを用いることができる。ただし、酸化物半導体膜106のタ
ーゲットは、これらのターゲットの材料及び組成に限定されるものではない。
As a target for forming an In—Ga—Zn—O film as the oxide semiconductor film 106 by a sputtering method, for example, an oxide target with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 1: 1, an atom An oxide target with a number ratio of In: Ga: Zn = 3: 1: 2, an oxide target with an atomic ratio of In: Ga: Zn = 1: 3: 2, and an atomic ratio of In: Ga: Zn = 2
A 1: 3 oxide target can be used. Note that the target of the oxide semiconductor film 106 is not limited to the materials and compositions of these targets.

また、酸化物ターゲットの相対密度は90%以上100%以下、好ましくは95%以上9
9.9%以下である。相対密度の高い酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した酸
化物半導体膜106は緻密な膜とすることができる。
The relative density of the oxide target is 90% to 100%, preferably 95% to 9%.
It is 9.9% or less. By using an oxide target with high relative density, the formed oxide semiconductor film 106 can be a dense film.

酸化物半導体膜106を成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又
は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
As a sputtering gas used for forming the oxide semiconductor film 106, a high-purity gas from which impurities such as hydrogen, water, a hydroxyl group, or hydride are removed is preferably used.

酸化物半導体膜106に、水素が多量に含まれると、酸化物半導体と結合することによっ
て、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じてしまう。これにより、トラ
ンジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そのため、酸化物半導体膜
106において、水素濃度は、5×1018atoms/cm未満、好ましくは1×1
18atoms/cm以下、より好ましくは5×1017atoms/cm以下、
更に好ましくは1×1016atoms/cm以下とすることが望ましい。なお、上述
の酸化物半導体膜中の水素濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondar
y Ion Mass Spectrometry)で測定されるものである。
When the oxide semiconductor film 106 contains a large amount of hydrogen, the oxide semiconductor film 106 is bonded to the oxide semiconductor, so that part of the hydrogen becomes a donor and an electron serving as a carrier is generated. As a result, the threshold voltage of the transistor shifts in the negative direction. Therefore, in the oxide semiconductor film 106, the hydrogen concentration is less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , preferably 1 × 1.
0 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less,
More preferably, it is 1 × 10 16 atoms / cm 3 or less. Note that the hydrogen concentration in the oxide semiconductor film is determined by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
(y Ion Mass Spectrometry).

なお、酸化物半導体膜106に、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、酸
化物半導体と結合することによって、キャリアが生成されることがあり、トランジスタの
オフ電流が上昇する原因となる。そのため、酸化物半導体膜106において、アルカリ金
属またはアルカリ土類金属の濃度は、1×1018atoms/cm以下、好ましくは
2×1016atoms/cm以下とすることが望ましい。
Note that in the case where the oxide semiconductor film 106 contains an alkali metal or an alkaline earth metal, carriers are generated by bonding with the oxide semiconductor, which causes an increase in off-state current of the transistor. Therefore, the concentration of the alkali metal or the alkaline earth metal in the oxide semiconductor film 106 is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

酸化物半導体膜106の成膜は、減圧状態に保持された成膜室内に基板100を保持して
行う。このとき、基板100を加熱しながら成膜してもよく、基板100を加熱する場合
、基板温度を100℃以上基板100の歪み点以下として行う。基板100を加熱しなが
ら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜106に含まれる水素、水分などの不純
物濃度を低減する(脱水化処理、脱水素化処理とも表現できる。)ことができる。また、
スパッタリングによる損傷が軽減されるため好ましい。そして、成膜室内の残留水分を除
去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板
100上に酸化物半導体膜106を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、
吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーション
ポンプを用いることが好ましい。また、排気手段は、ターボポンプにコールドトラップを
加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原
子、水(HO)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)
等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜106に含まれる水素、水分
などの不純物の濃度を低減できる。
The oxide semiconductor film 106 is formed with the substrate 100 held in a deposition chamber kept under reduced pressure. At this time, film formation may be performed while the substrate 100 is heated. When the substrate 100 is heated, the substrate temperature is set to 100 ° C. or higher and below the strain point of the substrate 100. When the substrate 100 is formed with heating, the concentration of impurities such as hydrogen and moisture contained in the formed oxide semiconductor film 106 can be reduced (also expressed as dehydration treatment or dehydrogenation treatment). . Also,
It is preferable because damage due to sputtering is reduced. Then, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is introduced while moisture remaining in the deposition chamber is removed, and the oxide semiconductor film 106 is formed over the substrate 100 using the target. In order to remove residual moisture in the deposition chamber,
It is preferable to use an adsorption-type vacuum pump such as a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. The film formation chamber evacuated using a cryopump is a compound containing a hydrogen atom such as a hydrogen atom or water (H 2 O) (more preferably a compound containing a carbon atom).
Thus, the concentration of impurities such as hydrogen and moisture contained in the oxide semiconductor film 106 formed in the deposition chamber can be reduced.

また、酸化物半導体膜106の成膜後、酸化物半導体膜106に対して、熱処理を行って
もよい。当該熱処理の温度は、300℃以上700℃以下、または基板の歪み点未満とす
る。当該熱処理を行うことで、過剰な水素(水や水酸基を含む)を除去することが可能で
ある。
Further, after the oxide semiconductor film 106 is formed, heat treatment may be performed on the oxide semiconductor film 106. The temperature of the heat treatment is 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or lower than the strain point of the substrate. By performing the heat treatment, excess hydrogen (including water and a hydroxyl group) can be removed.

当該熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気
下、450℃、1時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体膜106は大気
に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
The heat treatment can be performed, for example, by introducing an object to be processed into an electric furnace using a resistance heating element and the like under a nitrogen atmosphere at 450 ° C. for one hour. During this time, the oxide semiconductor film 106 is not exposed to the air so that water and hydrogen are not mixed.

熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射
によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、GRTA(Gas Rap
id Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid The
rmal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal
)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ
、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ラン
プなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。
GRTA装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴン
などの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が
用いられる。
The heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and an apparatus for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a medium such as a heated gas may be used. For example, GRTA (Gas Rap
id Thermal Anneal) device, LRTA (Lamp Rapid The
RTA (Rapid Thermal Anneal) equipment, etc.
) Device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp.
The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.

例えば、当該熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分間
熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すGRTA処理を行ってもよい。
GRTA処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温度
を超える温度条件であっても適用が可能となる。なお、処理中に、不活性ガスを、酸素を
含むガスに切り替えても良い。
For example, as the heat treatment, a GRTA process may be performed in which an object to be processed is put in a heated inert gas atmosphere, heated for several minutes, and then the object to be processed is taken out from the inert gas atmosphere.
When GRTA treatment is used, high-temperature heat treatment can be performed in a short time. In addition, application is possible even under temperature conditions exceeding the heat resistance temperature of the object to be processed. Note that the inert gas may be switched to a gas containing oxygen during the treatment.

なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス(ヘリウム、ネオン、アルゴン等
)を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ま
しい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの
純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上(
すなわち、不純物濃度が1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とする。
Note that as the inert gas atmosphere, an atmosphere containing nitrogen or a rare gas (such as helium, neon, or argon) as a main component and not including water, hydrogen, or the like is preferably used. For example, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (
That is, the impurity concentration is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm or less.

なお、上述の脱水化又は脱水素化処理を行うと、酸化物半導体膜を構成する主成分材料で
ある酸素が同時に脱離して減少してしまうおそれがある。酸化物半導体膜において、酸素
が脱離した箇所では酸素欠損が存在し、該酸素欠損に起因してトランジスタの電気的特性
変動を招くドナー準位が生じてしまう。よって、脱水化又は脱水素化処理を行った場合、
酸化物半導体膜106中に、酸素を供給することが好ましい。酸化物半導体膜106中に
酸素を供給することにより、膜中の酸素欠損を補填することができる。
Note that when the above dehydration or dehydrogenation treatment is performed, oxygen which is a main component material of the oxide semiconductor film may be desorbed and reduced at the same time. In the oxide semiconductor film, oxygen vacancies exist at locations where oxygen is released, and donor levels that cause fluctuations in electrical characteristics of the transistor are generated due to the oxygen vacancies. Therefore, when dehydration or dehydrogenation is performed,
Oxygen is preferably supplied into the oxide semiconductor film 106. By supplying oxygen into the oxide semiconductor film 106, oxygen vacancies in the film can be filled.

酸化物半導体膜106中の酸素欠損を補填する方法としては、例えば、酸化物半導体膜1
06に対して脱水化処理(脱水素化処理)を行った後、同じ炉に高純度の酸素ガス、亜酸
化窒素ガス、高純度の亜酸化窒素ガス、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダ
ウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換
算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下の空気)
を導入すればよい。酸素ガスまたは亜酸化窒素ガスに、水、水素などが含まれないことが
好ましい。または、熱処理装置に導入する酸素ガスまたは亜酸化窒素ガスの純度を、6N
以上好ましくは7N以上(即ち、酸素ガスまたは亜酸化窒素ガス中の不純物濃度を1pp
m以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
As a method for filling oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 106, for example, the oxide semiconductor film 1
After dehydration treatment (dehydrogenation treatment) on 06, high purity oxygen gas, nitrous oxide gas, high purity nitrous oxide gas, or ultra dry air (CRDS (cavity ring down) (Laser spectroscopic method) Water content when measured using a dew point meter is 20 ppm or less (-55 ° C. in terms of dew point), preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less)
Should be introduced. It is preferable that water, hydrogen, or the like be not contained in the oxygen gas or nitrous oxide gas. Alternatively, the purity of oxygen gas or nitrous oxide gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N
Or more, preferably 7N or more (that is, the impurity concentration in oxygen gas or nitrous oxide gas is 1 pp.
m or less, preferably 0.1 ppm or less).

また、酸化物半導体膜106中に酸素を供給する方法としては、上述のように酸素を含む
雰囲気中で加熱する方法以外に、酸化物半導体膜106に酸素(少なくとも、酸素ラジカ
ル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む)を添加することで、酸化物半導体膜10
6中に酸素を供給してもよい。酸素の添加方法としては、イオン注入法、イオンドーピン
グ法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いる
As a method for supplying oxygen into the oxide semiconductor film 106, oxygen (at least oxygen radicals, oxygen atoms, oxygen atoms) is added to the oxide semiconductor film 106 in addition to the method of heating in an atmosphere containing oxygen as described above. The oxide semiconductor film 10 is added.
6 may be supplied with oxygen. As a method for adding oxygen, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma immersion ion implantation method, a plasma treatment, or the like is used.

上述のように、成膜後の酸化物半導体膜106には、脱水化処理(脱水素化処理)を行い
水素もしくは水分を酸化物半導体から除去して不純物が極力含まれないように高純度化し
、脱水化処理(脱水素化処理)によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する
主成分材料である酸素を供給する(過酸素化とも表現できる。)して酸素欠損を補填する
ことによって、i型(真性)化またはi型に限りなく近い酸化物半導体膜106とするこ
とができる。そうすることにより、酸化物半導体膜のフェルミ準位(Ef)を真性フェル
ミ準位(Ei)と同じレベルにまですることができる。よって、当該酸化物半導体膜をト
ランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Vthのば
らつき、しきい値電圧のシフトΔVthを低減することができる。
As described above, the oxide semiconductor film 106 that has been formed is subjected to dehydration treatment (dehydrogenation treatment) to remove hydrogen or moisture from the oxide semiconductor so that the oxide semiconductor film 106 is highly purified so that impurities are not contained as much as possible. By supplying oxygen (which can also be expressed as peroxygenation), which is a main component material of the oxide semiconductor, which has been reduced at the same time by dehydration (dehydrogenation), to compensate for oxygen vacancies Thus, the oxide semiconductor film 106 can be i-type (intrinsic) or nearly i-type. By doing so, the Fermi level (Ef) of the oxide semiconductor film can be made to the same level as the intrinsic Fermi level (Ei). Therefore, when the oxide semiconductor film is used for a transistor, variation in threshold voltage Vth of the transistor due to oxygen vacancies and threshold voltage shift ΔVth can be reduced.

このため、酸化物半導体膜106への酸素の供給工程の前に脱水化処理(脱水素化処理)
を行っておくことが好ましい。
Therefore, dehydration treatment (dehydrogenation treatment) is performed before the step of supplying oxygen to the oxide semiconductor film 106.
It is preferable to carry out.

ところで、酸素には17Oや18Oといった同位体が存在し、自然界におけるこれらの存
在比率はそれぞれ酸素原子全体の0.037%、0.204%程度であることが知られて
いる。つまり、酸化物半導体膜中におけるこれら同位体の濃度は、SIMSなどの方法に
よって見積もることができる程度になるから、これらの濃度を測定することで、酸化物半
導体膜中の酸素濃度をより正確に見積もることが可能な場合がある。よって、これらの濃
度を測定することで、酸化物半導体膜に意図的に酸素が添加されたか否かの判断材料とし
て用いることもできる。
By the way, it is known that oxygen has isotopes such as 17 O and 18 O, and their abundance ratios in the natural world are about 0.037% and 0.204% of the whole oxygen atom, respectively. In other words, since the concentration of these isotopes in the oxide semiconductor film can be estimated by a method such as SIMS, the oxygen concentration in the oxide semiconductor film can be more accurately measured by measuring these concentrations. It may be possible to estimate. Therefore, by measuring these concentrations, the oxide semiconductor film can be used as a material for determining whether oxygen is intentionally added.

なお、上述では、酸化物半導体膜106を島状に加工する前に脱水素化処理、過酸化処理
および酸素添加を行う構成について説明したが、開示する発明の一態様はこれに限定して
解釈されない。酸化物半導体膜106を島状に加工した後に、当該処理を行ってもよい。
Note that although the structure in which dehydrogenation treatment, peroxidation treatment, and oxygen addition are performed before the oxide semiconductor film 106 is processed into an island shape is described above, one embodiment of the disclosed invention is limited to this. Not. The treatment may be performed after the oxide semiconductor film 106 is processed into an island shape.

次に、酸化物半導体膜106をフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体膜10
6に加工する(図2(C)参照。)。また、島状の酸化物半導体膜106を形成するため
のレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェッ
ト法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。なお、酸化
物半導体膜106のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、
両方を用いてもよい。
Next, the oxide semiconductor film 106 is formed into an island-shaped oxide semiconductor film 10 by a photolithography process.
6 (see FIG. 2C). Further, a resist mask for forming the island-shaped oxide semiconductor film 106 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used. Note that the etching of the oxide semiconductor film 106 may be dry etching or wet etching.
Both may be used.

ここで、図2(C)に示すように、酸化物半導体膜106は端部に20°乃至50°のテ
ーパー角を有していることが好ましい。酸化物半導体膜106の端部が垂直であると酸化
物半導体膜106から酸素が抜けやすく酸素欠損を生じやすいが、酸化物半導体膜106
の端部にテーパー角を有することで酸素欠損の発生を抑制し、トランジスタ150のリー
ク電流の発生を低減することができる。
Here, as illustrated in FIG. 2C, the oxide semiconductor film 106 preferably has a taper angle of 20 ° to 50 ° at an end portion. When the end portion of the oxide semiconductor film 106 is vertical, oxygen can easily escape from the oxide semiconductor film 106, but oxygen vacancies can easily occur.
With the taper angle at the end of the transistor, generation of oxygen vacancies can be suppressed and generation of leakage current of the transistor 150 can be reduced.

次に、酸化物半導体膜106上に、ゲート絶縁膜108を形成するための絶縁膜107を
形成する(図2(D)参照。)。ここで、絶縁膜107の膜厚は、例えば1nm以上50
nm以下とすることができる。また、絶縁膜107の成膜方法としては、例えば、スパッ
タリング法、MBE法、CVD法、パルスレーザ堆積法、ALD法等を適宜用いて成膜す
ることができる。
Next, the insulating film 107 for forming the gate insulating film 108 is formed over the oxide semiconductor film 106 (see FIG. 2D). Here, the film thickness of the insulating film 107 is, for example, 1 nm or more and 50
nm or less. As a method for forming the insulating film 107, for example, a sputtering method, an MBE method, a CVD method, a pulse laser deposition method, an ALD method, or the like can be used as appropriate.

絶縁膜107は、十分な耐圧および絶縁性を有する酸化物絶縁膜を用いることが好ましい
。絶縁膜107を単層構造とする場合には、例えば、酸化シリコン膜のようなシリコンを
含む酸化物を含む絶縁膜を用いればよい。
As the insulating film 107, an oxide insulating film having sufficient withstand voltage and insulating property is preferably used. In the case where the insulating film 107 has a single-layer structure, for example, an insulating film containing an oxide containing silicon such as a silicon oxide film may be used.

また、絶縁膜107を積層構造としてもよい。絶縁膜107を積層構造とする場合、酸化
ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム
、酸化イットリウム、酸化ランタンまたは窒化酸化シリコンなどを酸化シリコン上に積層
すればよい。また、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート(HfSix>0、y
>0))、窒素が添加されたハフニウムシリケート(HfSiO(x>0、y>0
))、ハフニウムアルミネート(HfAl(x>0、y>0))などのhigh−
k材料を酸化シリコン上に積層すればよい。また、high−k材料を用いることでゲー
トリーク電流を低減することができる。
The insulating film 107 may have a stacked structure. In the case where the insulating film 107 has a stacked structure, gallium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, yttrium oxide, lanthanum oxide, silicon nitride oxide, or the like may be stacked over silicon oxide. Also, hafnium oxide, hafnium silicate (HfSi x O y x> 0, y
> 0)), and hafnium silicate doped with nitrogen (HfSiO x N y (x> 0, y> 0
)), Hafnium aluminate (HfAl x O y (x> 0, y> 0))
The k material may be stacked on the silicon oxide. In addition, gate leakage current can be reduced by using a high-k material.

なお、絶縁膜107として酸化物絶縁膜を用いることにより、絶縁膜102と同様に、熱
処理によって当該酸化物絶縁膜の酸素の一部を脱離させて酸化物半導体膜106に酸素を
供給し、酸化物半導体膜106中の酸素欠損を補填することができる。当該処理の詳細に
ついては、絶縁膜102の説明を参酌すればよく、絶縁膜107に対する加熱処理を行う
タイミングについては、絶縁膜107の成膜後であれば特段の限定はない。
Note that by using an oxide insulating film as the insulating film 107, part of oxygen in the oxide insulating film is released by heat treatment to supply oxygen to the oxide semiconductor film 106, as in the insulating film 102. Oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 106 can be filled. The description of the insulating film 102 may be referred to for details of the treatment, and there is no particular limitation on the timing of performing heat treatment on the insulating film 107 as long as the insulating film 107 is formed.

特に、絶縁膜107中(バルク中)に少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する
ことが好ましく、例えば、絶縁膜107として、SiO2+α(ただし、α>0)で表さ
れる酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸化シリコン膜を絶縁膜107
として用いることで、酸化物半導体膜106に酸素を供給することができ、当該酸化物半
導体膜106を用いたトランジスタ150のトランジスタ特性を良好にすることができる
In particular, it is preferable that oxygen in an amount exceeding at least the stoichiometric ratio is present in the insulating film 107 (in the bulk). For example, the insulating film 107 includes silicon oxide represented by SiO 2 + α (where α> 0). It is preferable to use a membrane. Such a silicon oxide film is used as the insulating film 107.
As a result, oxygen can be supplied to the oxide semiconductor film 106, and the transistor characteristics of the transistor 150 including the oxide semiconductor film 106 can be improved.

上述のように、絶縁膜107を、少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在する絶縁
膜とするためには、スパッタリング法を用いて絶縁膜107を成膜することが好ましい。
また、スパッタリング法を用いた場合、上述のように高純度のガスを使用する、成膜装置
をベークして排気装置で不純物を排気する、および基板を予備加熱するなどの方法で成膜
装置内の水素や水分などの不純物を極力除去することにより、絶縁膜107中の水素や水
分の濃度を低く抑えることが可能であり、このような観点から考えても、絶縁膜107の
成膜はスパッタリング法を用いることが好ましいと言える。
As described above, in order to make the insulating film 107 an insulating film containing oxygen in an amount exceeding at least the stoichiometric ratio, it is preferable to form the insulating film 107 by a sputtering method.
In addition, when the sputtering method is used, a high-purity gas is used as described above, the film formation apparatus is baked and impurities are exhausted by an exhaust apparatus, and the substrate is preheated. By removing impurities such as hydrogen and moisture as much as possible, the concentration of hydrogen and moisture in the insulating film 107 can be kept low. From this point of view, the insulating film 107 is formed by sputtering. It can be said that it is preferable to use the method.

なお、酸化物半導体膜106を成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生さ
せる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜108の表面に付着している粉状物質(パーティク
ル、ごみともいう)を除去することが好ましい。逆スパッタとは、基板に電圧を印加し、
基板近傍にプラズマを形成して、基板側の表面を改質する方法である。なお、アルゴンに
代えて、窒素、ヘリウム、酸素などのガスを用いてもよい。
Note that before the oxide semiconductor film 106 is formed, reverse sputtering that generates plasma by introducing argon gas is performed, and a powdery substance (also referred to as particles or dust) attached to the surface of the gate insulating film 108 is used. Is preferably removed. Reverse sputtering means applying a voltage to the substrate,
In this method, plasma is formed in the vicinity of the substrate to modify the surface on the substrate side. Note that instead of argon, a gas such as nitrogen, helium, or oxygen may be used.

上述のように、スパッタリング装置を用いて絶縁膜107を成膜する場合、絶縁膜107
の構成元素、例えばシリコンなどが、酸化物半導体膜106に対して衝突すると、当該元
素が酸化物半導体膜106中に混入してしまうおそれがある。当該混入現象は、絶縁膜1
07との界面近傍の酸化物半導体膜106中、具体的には、上述の領域106aにおいて
、特に顕著に生じる。本実施の形態等に記載するトランジスタでは、ゲート絶縁膜108
近傍の酸化物半導体膜106中にチャネル領域が形成されるため、ゲート絶縁膜108を
構成する元素が当該領域に不純物として混入することにより、トランジスタのオン特性(
例えば、オン電流など)を低下させる要因となり得る。酸化物半導体膜106に対してシ
リコンなどの不純物が混入することにより、酸化物半導体膜106にどのような特性変化
が生じるかについては、実施例1にて詳細に説明する。
As described above, in the case where the insulating film 107 is formed using a sputtering apparatus, the insulating film 107
When such a constituent element such as silicon collides with the oxide semiconductor film 106, the element may be mixed into the oxide semiconductor film 106. The contamination phenomenon is caused by the insulating film 1
In the oxide semiconductor film 106 in the vicinity of the interface with 07, specifically, the above-described region 106a is particularly noticeable. In the transistor described in this embodiment and the like, the gate insulating film 108
Since a channel region is formed in the oxide semiconductor film 106 in the vicinity, an element included in the gate insulating film 108 is mixed as an impurity into the region, so that the on-state characteristics of the transistor (
For example, it can be a factor that reduces the on-current. In Example 1, a change in characteristics of the oxide semiconductor film 106 caused by the entry of impurities such as silicon into the oxide semiconductor film 106 will be described in detail.

なお、上述のような、酸化物半導体膜106中への絶縁膜107の構成元素の混入現象は
、絶縁膜107との界面近傍の酸化物半導体膜106中に発生しうる。よって、絶縁膜を
構成する元素が酸化物半導体膜に衝突する勢いを弱くして絶縁膜を成膜してしまえば、そ
の後は衝突する勢いを強くしてもよい。例えば、絶縁膜の成膜を行う装置の成膜電力を低
くして酸化物半導体膜106との界面近傍の絶縁膜を成膜し、その後、成膜電力を高くし
て更に絶縁膜を成膜することで、絶縁膜107を形成してもよい。また、絶縁膜の成膜を
行う装置の成膜圧力を高くして酸化物半導体膜106との界面近傍の絶縁膜を成膜し、そ
の後、成膜圧力を低くして更に絶縁膜を成膜することで、絶縁膜107を形成してもよい
。また、絶縁膜の成膜を行う装置のT−S間距離を広くして酸化物半導体膜106との界
面近傍の絶縁膜を成膜し、その後、T−S間距離を狭くして更に絶縁膜を成膜することで
、絶縁膜107を形成してもよい。
Note that the phenomenon in which the constituent elements of the insulating film 107 are mixed into the oxide semiconductor film 106 as described above can occur in the oxide semiconductor film 106 in the vicinity of the interface with the insulating film 107. Therefore, if the insulating film is formed by weakening the moment of collision of the elements included in the insulating film with the oxide semiconductor film, the momentum of collision may be increased thereafter. For example, the film forming power of an apparatus for forming an insulating film is reduced to form an insulating film near the interface with the oxide semiconductor film 106, and then the insulating power is further increased to increase the film forming power. Thus, the insulating film 107 may be formed. In addition, an insulating film in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor film 106 is formed by increasing the film forming pressure of the apparatus for forming the insulating film, and then further forming the insulating film by reducing the film forming pressure. Thus, the insulating film 107 may be formed. Further, an insulating film in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor film 106 is formed by increasing the T-S distance of the apparatus for forming the insulating film, and then further insulating by reducing the T-S distance. The insulating film 107 may be formed by forming a film.

例えば、スパッタリング装置を用いて絶縁膜107を成膜する場合、成膜電力の具体的な
数値としては、10kW以下、好ましくは1kW以下、より好ましくは500W以下、更
に好ましくは200W以下とすることが望ましい。なお、成膜電力を下げるほど絶縁膜1
07の成膜レートが低下してしまう。また、成膜電力が非常に低いと、スパッタリング装
置内でプラズマが発生しにくくなり、正常に成膜処理が行えなくなる可能性が高まる。こ
のため、成膜電力は、使用するスパッタ装置で印加することのできる最大電力の5%以上
とすることが望ましい。成膜電力をどの程度まで下げるかについては、スパッタリング装
置の性能や絶縁膜107の膜厚などを鑑み、成膜を正常に行うことができ、かつ、成膜時
間がトランジスタ150の作製工程(タクトタイム)に対して重大な影響を及ぼさない範
囲で、実施者が適宜最適な電力値を選択すればよい。
For example, when the insulating film 107 is formed using a sputtering apparatus, the specific value of the film formation power is 10 kW or less, preferably 1 kW or less, more preferably 500 W or less, and still more preferably 200 W or less. desirable. Note that the insulating film 1 decreases as the deposition power decreases.
The film forming rate of 07 is lowered. In addition, when the deposition power is very low, it is difficult to generate plasma in the sputtering apparatus, and the possibility that the deposition process cannot be performed normally increases. For this reason, it is desirable that the deposition power be 5% or more of the maximum power that can be applied by the sputtering apparatus to be used. As to how much the deposition power is reduced, in consideration of the performance of the sputtering apparatus, the thickness of the insulating film 107, and the like, the deposition can be performed normally, and the deposition time can be reduced. The practitioner only needs to select an optimal power value as long as it does not have a significant influence on the time.

また、スパッタリング装置を用いて絶縁膜107を成膜する場合、成膜圧力の具体的な数
値としては、0.4Pa以上、好ましくは1.0Pa以上、より好ましくは2.0Pa以
上、更に好ましくは5.0Pa以上とすることが望ましい。なお、成膜圧力を高くするほ
ど、成膜される膜の膜質が悪化する(例えば、膜質が疎になる。)傾向がある。このため
、成膜圧力は100Pa以下とすることが望ましい。成膜圧力をどの程度まで高めるかに
ついては、絶縁膜107に必要とされる特性(例えば、電界効果移動度など)を鑑み、実
施者が適宜最適な圧力値を選択すればよい。
In the case where the insulating film 107 is formed using a sputtering apparatus, the specific value of the film formation pressure is 0.4 Pa or more, preferably 1.0 Pa or more, more preferably 2.0 Pa or more, and further preferably It is desirable to set it as 5.0 Pa or more. Note that as the film forming pressure is increased, the film quality of the formed film tends to deteriorate (for example, the film quality becomes sparse). For this reason, it is desirable that the film forming pressure be 100 Pa or less. To what extent the film formation pressure is increased, the practitioner may select an optimal pressure value as appropriate in consideration of characteristics required for the insulating film 107 (for example, field effect mobility).

また、スパッタリング装置を用いて絶縁膜107を成膜する場合、T−S間距離の具体的
な数値としては、30mm以上、好ましくは50mm以上、より好ましくは100mm以
上、更に好ましくは300mm以上とすることが望ましい。なお、T−S間距離を広くす
るほど絶縁膜107の成膜レートが低下してしまう。このため、T−S間距離は500m
m以下とすることが望ましい。T−S間距離をどの程度まで広げるかについては、成膜時
間がトランジスタ150の作製工程(タクトタイム)に対して重大な影響を及ぼさない範
囲で、実施者が適宜最適なT−S間距離を選択すればよい。
In addition, when the insulating film 107 is formed using a sputtering apparatus, the specific value of the T-S distance is 30 mm or more, preferably 50 mm or more, more preferably 100 mm or more, and further preferably 300 mm or more. It is desirable. Note that the deposition rate of the insulating film 107 decreases as the distance between T and S increases. For this reason, the distance between TS is 500 m.
m or less is desirable. The extent to which the T-S distance is increased is determined by the practitioner as appropriate as long as the film formation time does not have a significant effect on the manufacturing process (tact time) of the transistor 150. Should be selected.

なお、絶縁膜107を構成する元素が酸化物半導体膜106に衝突する勢いを弱くするた
めには、成膜電力、成膜圧力またはT−S間距離のいずれか一つの条件を上述の範囲とし
て絶縁膜107を成膜してもよいし、複数の条件を上述の範囲として絶縁膜107を成膜
してもよい。
Note that in order to weaken the momentum at which the elements included in the insulating film 107 collide with the oxide semiconductor film 106, any one of the deposition power, the deposition pressure, and the T-S distance is set as the above range. The insulating film 107 may be formed, or the insulating film 107 may be formed with a plurality of conditions within the above range.

なお、スパッタリング装置として、ターゲットと被成膜基板が略平行に設置されたマグネ
トロン方式スパッタ装置(単に、マグネトロンスパッタ装置とも言われる。)を用いた場
合、酸化物半導体膜106には、絶縁膜107を構成する元素以外にもプラズマや二次電
子なども衝突するため、絶縁膜107を構成する元素が酸化物半導体膜106中に非常に
混入しやすい状態にあると言える。このため、絶縁膜107を成膜するスパッタリング装
置としては、対向ターゲット式スパッタ装置(ミラートロンスパッタ装置やナチュラトロ
ンスパッタ装置などとも言われる。)を用いてもよい。当該装置は、2枚のターゲットが
対向する状態に設置され、被成膜基板は2枚のターゲットに挟まれた空間以外の場所に、
ターゲットに対して概垂直な状態に設置されている。そして、対向する2枚のターゲット
間に高密度のプラズマを生成し、当該プラズマによりターゲット(絶縁膜107の成膜に
用いるターゲット。)表面がスパッタリングされることで、被成膜基板に絶縁膜107が
成膜される。このため、被成膜基板はプラズマや二次電子に直接晒されることがない(ま
たは非常に少ない)。
Note that in the case where a magnetron sputtering apparatus in which a target and a deposition target substrate are installed in parallel is used as the sputtering apparatus (also simply referred to as a magnetron sputtering apparatus), the oxide semiconductor film 106 includes an insulating film 107. It can be said that the element constituting the insulating film 107 is very likely to be mixed into the oxide semiconductor film 106 because plasma, secondary electrons, and the like collide in addition to the element constituting the oxide. Therefore, as a sputtering apparatus for forming the insulating film 107, an opposed target sputtering apparatus (also referred to as a mirrortron sputtering apparatus or a Naturatron sputtering apparatus) may be used. The apparatus is installed in a state where two targets are opposed to each other, and the deposition target substrate is located in a place other than the space between the two targets.
It is installed in a state almost perpendicular to the target. Then, high-density plasma is generated between two opposing targets, and the surface of the target (a target used for forming the insulating film 107) is sputtered by the plasma, whereby the insulating film 107 is formed on the deposition target substrate. Is deposited. For this reason, the deposition target substrate is not directly exposed to plasma or secondary electrons (or very little).

また、スパッタリング法を用いた絶縁膜107の成膜を希ガス雰囲気で行う場合、アルゴ
ンの代わりにヘリウムを用いてもよい。アルゴンはヘリウムと比較して原子数が大きいた
め、アルゴンイオンが絶縁膜107界面近傍の酸化物半導体膜106に衝突した場合、酸
化物半導体膜106の結合手を分断し、絶縁膜107の構成元素が結合手分断箇所から酸
化物半導体膜106に混入する可能性がある。希ガスイオンとしてヘリウムを用いること
により、上述のような結合手の分断を抑制することができるため、絶縁膜107の構成元
素が酸化物半導体膜106中に混入することを抑制できる。さらに、酸化物半導体膜10
6との界面近傍においては、絶縁膜の成膜をヘリウム雰囲気で行い、その後、成膜室内を
アルゴン雰囲気に切り替えて絶縁膜を成膜することで、絶縁膜107を形成してもよい。
これにより、絶縁膜107の成膜スピードを向上させることができる。
In the case where the insulating film 107 is formed by a sputtering method in a rare gas atmosphere, helium may be used instead of argon. Since argon has a larger number of atoms than helium, when argon ions collide with the oxide semiconductor film 106 in the vicinity of the interface of the insulating film 107, the bonds of the oxide semiconductor film 106 are broken to form constituent elements of the insulating film 107. May be mixed into the oxide semiconductor film 106 from a bond splitting position. By using helium as the rare gas ion, the above-described bond splitting can be suppressed, so that the constituent elements of the insulating film 107 can be prevented from being mixed into the oxide semiconductor film 106. Further, the oxide semiconductor film 10
The insulating film 107 may be formed in the vicinity of the interface with 6 by forming the insulating film in a helium atmosphere and then forming the insulating film by switching the film formation chamber to an argon atmosphere.
Thereby, the deposition speed of the insulating film 107 can be improved.

また、絶縁膜107を、ALD(Atomic Layer Deposition)法
、蒸着法、塗布法などの酸化物半導体膜106への衝撃が弱い方法で成膜してもよい。
Alternatively, the insulating film 107 may be formed by a method having a low impact on the oxide semiconductor film 106 such as an ALD (Atomic Layer Deposition) method, an evaporation method, or a coating method.

以上のように、絶縁膜107を構成する元素が酸化物半導体膜106に衝突する勢いを弱
くして絶縁膜107を成膜することで、上述のように、酸化物半導体膜106において、
絶縁膜107との界面から酸化物半導体膜106に向けてシリコンの濃度が1.1原子%
以下の濃度で分布する領域106aと、含有されるシリコン濃度が領域106aより小さ
い領域106bが形成される。ここで、領域106bとは、酸化物半導体膜106の領域
106a以外の領域のことである。また、領域106bに含まれるシリコンの濃度は、0
.1原子%以下であるとより好ましい。
As described above, by forming the insulating film 107 while reducing the momentum at which the elements included in the insulating film 107 collide with the oxide semiconductor film 106, as described above, in the oxide semiconductor film 106,
The silicon concentration is 1.1 atomic% from the interface with the insulating film 107 toward the oxide semiconductor film 106.
A region 106a distributed at the following concentration and a region 106b in which the concentration of contained silicon is smaller than the region 106a are formed. Here, the region 106b refers to a region other than the region 106a in the oxide semiconductor film 106. The concentration of silicon contained in the region 106b is 0.
. More preferably, it is 1 atomic% or less.

また、このようにして酸化物半導体膜106を成膜することで絶縁膜107中に含まれる
炭素などの不純物が酸化物半導体膜106に混入することも低減されるので、上述のよう
に領域106aに含まれる炭素濃度は1.0×1020atoms/cm以下、より好
ましくは1.0×1019atoms/cm以下となる。
In addition, by forming the oxide semiconductor film 106 in this manner, the entry of impurities such as carbon contained in the insulating film 107 into the oxide semiconductor film 106 is reduced, so that the region 106a is formed as described above. The carbon concentration contained in is 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 or less.

このように、酸化物半導体膜106の領域106aに取り込まれるシリコンなどの不純物
を低減することにより、酸化物半導体膜106を用いたトランジスタ150のオン電流の
低下を抑制することができる。よって、トランジスタ150によって構成される半導体装
置の動作特性の向上を図ることができる。そして、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ
又は該トランジスタによって構成される半導体装置の性能向上を図ることができる。
In this manner, by reducing impurities such as silicon taken into the region 106a of the oxide semiconductor film 106, a reduction in on-state current of the transistor 150 including the oxide semiconductor film 106 can be suppressed. Thus, the operating characteristics of the semiconductor device including the transistor 150 can be improved. In addition, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved.

また、絶縁膜107を構成する元素が酸化物半導体膜106に衝突する勢いを弱くして絶
縁膜107を成膜することにより、絶縁膜107中に酸化物半導体膜106を構成する元
素が混入することも抑制できる。これにより、絶縁膜107中に酸化物半導体膜106を
構成する金属元素などの導電性の高い元素が混入することを抑制できるので、絶縁膜10
7を用いて形成されるゲート絶縁膜108の抵抗率の低減を防ぐことができる。
Further, when the insulating film 107 is formed by reducing the momentum with which the elements included in the insulating film 107 collide with the oxide semiconductor film 106, the elements included in the oxide semiconductor film 106 are mixed into the insulating film 107. This can also be suppressed. Thus, the insulating film 107 can be prevented from being mixed with a highly conductive element such as a metal element included in the oxide semiconductor film 106.
7 can be prevented from decreasing in resistivity.

次に、絶縁膜107上に、ゲート電極110(これと同じ層で形成される配線を含む)を
形成するための導電膜109を形成する(図3(A)参照。)。導電膜109としては、
例えば、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、
スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。ゲ
ート電極に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性
の金属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛
(ZnO)、インジウムスズ酸化物(In−SnO、ITOと略記する場合があ
る)、インジウム亜鉛酸化物(In−ZnO)、または、これらの金属酸化物材料
にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。ゲート電極は
、上記の材料を用いて単層で又は積層して形成することができる。形成方法も特に限定さ
れず、蒸着法、CVD法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用い
ることができる。
Next, a conductive film 109 for forming the gate electrode 110 (including a wiring formed using the same layer) is formed over the insulating film 107 (see FIG. 3A). As the conductive film 109,
For example, molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, neodymium,
A metal material such as scandium or an alloy material containing these as a main component can be used. The conductive film used for the gate electrode may be formed using a conductive metal oxide. The conductive metal oxide may be abbreviated as indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , ITO). ), Indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO), or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide can be used. The gate electrode can be formed using a single layer or stacked layers using the above materials. There is no particular limitation on the formation method, and various film formation methods such as an evaporation method, a CVD method, a sputtering method, and a spin coating method can be used.

また、ゲート絶縁膜と接するゲート電極110の一層として、窒素を含む金属酸化物、具
体的には、窒素を含むIn−Ga−Zn−O膜や、窒素を含むIn−Sn−O膜や、窒素
を含むIn−Ga−O膜や、窒素を含むIn−Zn−O膜や、窒素を含むSn−O膜や、
窒素を含むIn−O膜や、金属窒化膜(InN、SnNなど)を用いることができる。こ
れらの膜は5eV(電子ボルト)、好ましくは5.5eV(電子ボルト)以上の仕事関数
を有し、ゲート電極層として用いた場合、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラ
スにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
Further, as one layer of the gate electrode 110 in contact with the gate insulating film, a metal oxide containing nitrogen, specifically, an In—Ga—Zn—O film containing nitrogen, an In—Sn—O film containing nitrogen, In—Ga—O film containing nitrogen, In—Zn—O film containing nitrogen, Sn—O film containing nitrogen,
An In—O film containing nitrogen or a metal nitride film (InN, SnN, or the like) can be used. These films have a work function of 5 eV (electron volt), preferably 5.5 eV (electron volt) or more, and when used as a gate electrode layer, the threshold voltage of the electrical characteristics of the transistor can be made positive. In other words, a so-called normally-off switching element can be realized.

次に、フォトリソグラフィ工程により導電膜109上にレジストマスクを形成し、選択的
にエッチングを行って、ゲート電極110およびゲート絶縁膜108を形成した後、レジ
ストマスクを除去する(図3(B)参照。)。また、ゲート電極110およびゲート絶縁
膜108を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジス
トマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを
低減できる。なお、ゲート電極110およびゲート絶縁膜108のエッチングは、ドライ
エッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
Next, a resist mask is formed over the conductive film 109 by a photolithography process, and selective etching is performed to form the gate electrode 110 and the gate insulating film 108, and then the resist mask is removed (FIG. 3B). reference.). Further, a resist mask for forming the gate electrode 110 and the gate insulating film 108 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used. Note that the etching of the gate electrode 110 and the gate insulating film 108 may be dry etching or wet etching, or both may be used.

次に、イオンドーピング法やイオン注入法により、酸化物半導体膜106の抵抗値を低減
する機能を有する不純物イオン130を、酸化物半導体膜106に添加する。この際、ゲ
ート電極110およびゲート絶縁膜108がマスクとして機能するため、酸化物半導体膜
106中に低抵抗領域106cが自己整合的に形成される(図3(C)参照。)。なお、
不純物イオン130としては、15族元素(代表的にはリン(P)、砒素(As)、およ
びアンチモン(Sb))、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、窒素(N)、アルゴン
(Ar)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、インジウム(In)、フッ素(F)、塩
素(Cl)、チタン(Ti)、及び亜鉛(Zn)のいずれかから選択される一以上を用い
ることができる。イオン注入法は、必要なイオンのみを取り出す質量分離器を用いている
ため、対象物に対して不純物イオン130のみを選択的に添加できる。このため、イオン
ドーピング法を用いて添加した場合と比べて酸化物半導体膜106中への不純物(例えば
水素など)の混入が少なくなるため好ましい。ただし、イオンドーピング法を除外するも
のではない。なお、低抵抗領域106cは、酸化物半導体膜106(第1の領域106a
および第2の領域106bを含む)が不純物イオン130の注入により低抵抗領域106
cに変質したわけではなく、図3(C)のように、低抵抗領域106c中には領域106
aおよび領域106bが存在している。
Next, impurity ions 130 having a function of reducing the resistance value of the oxide semiconductor film 106 are added to the oxide semiconductor film 106 by an ion doping method or an ion implantation method. At this time, since the gate electrode 110 and the gate insulating film 108 function as a mask, the low-resistance region 106c is formed in the oxide semiconductor film 106 in a self-aligned manner (see FIG. 3C). In addition,
As the impurity ions 130, group 15 elements (typically phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb)), boron (B), aluminum (Al), nitrogen (N), argon (Ar) , Helium (He), neon (Ne), indium (In), fluorine (F), chlorine (Cl), titanium (Ti), and zinc (Zn) can be used. . Since the ion implantation uses a mass separator that extracts only necessary ions, only the impurity ions 130 can be selectively added to the object. Therefore, it is preferable because impurities (eg, hydrogen) are less mixed into the oxide semiconductor film 106 as compared with the case where the impurity is added by an ion doping method. However, the ion doping method is not excluded. Note that the low-resistance region 106c includes the oxide semiconductor film 106 (first region 106a
And the second region 106b) are formed by the implantation of the impurity ions 130.
However, the region 106 is not included in the low resistance region 106c as shown in FIG.
a and region 106b exist.

次に、酸化物半導体膜106上に、ソース電極及びドレイン電極(これと同じ層で形成さ
れる配線を含む)に用いる導電膜を成膜する。ソース電極及びドレイン電極に用いる導電
膜としては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タン
グステンから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜
(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。ま
た、アルミニウム、銅などの金属膜の下側又は上側の一方または双方にチタン、モリブデ
ン、タングステンなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化
モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層させた構成としても良い。また、ソース電極
及びドレイン電極に用いる導電膜は、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金
属酸化物としては酸化インジウム(In)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(Z
nO)、インジウムスズ酸化物(In−SnO、ITOと略記する)、インジウ
ム亜鉛酸化物(In−ZnO)を用いることができる。ソース電極及びドレイン電
極に用いる導電膜は、上記の材料を用いて単層で又は積層して成膜することができる。形
成方法も特に限定されず、蒸着法、CVD法、スパッタリング法、スピンコート法などの
各種成膜方法を用いることができる。
Next, a conductive film used for a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer) is formed over the oxide semiconductor film 106. As the conductive film used for the source electrode and the drain electrode, for example, a metal film containing an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, or a metal nitride film containing the above-described element as a component ( A titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used. Further, a refractory metal film such as titanium, molybdenum, or tungsten or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) on one or both of the lower side or upper side of a metal film such as aluminum or copper It is good also as a structure which laminated | stacked. Further, the conductive film used for the source electrode and the drain electrode may be formed using a conductive metal oxide. Examples of conductive metal oxides include indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), and zinc oxide (Z
nO), indium tin oxide (In 2 O 3 —SnO 2 , abbreviated as ITO), and indium zinc oxide (In 2 O 3 —ZnO) can be used. The conductive film used for the source electrode and the drain electrode can be formed as a single layer or stacked layers using any of the above materials. There is no particular limitation on the formation method, and various film formation methods such as an evaporation method, a CVD method, a sputtering method, and a spin coating method can be used.

そして、フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエ
ッチングを行ってソース電極114a、ドレイン電極114bを形成した後、レジストマ
スクを除去することにより、トランジスタ150が形成される(図3(D)参照)。当該
フォトリソグラフィ工程におけるレジストマスク形成時の露光には、紫外線やKrFレー
ザ光やArFレーザ光を用いることが好ましい。ここで、酸化物半導体膜106上で隣り
合うソース電極114aの下端部とドレイン電極114bの下端部との間隔幅によって、
トランジスタのチャネル長Lが決定される。よって、チャネル長L=25nm未満の露光
を行う場合には、例えば、数nm〜数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extre
me Ultraviolet)を用いてフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形
成時の露光を行うとよい。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従っ
て、後に形成されるトランジスタのチャネル長Lを微細化することが可能であり、回路の
動作速度を高速化できる。
Then, a resist mask is formed over the conductive film by a photolithography process, selective etching is performed to form the source electrode 114a and the drain electrode 114b, and then the resist mask is removed, whereby the transistor 150 is formed ( (See FIG. 3D). Ultraviolet light, KrF laser light, or ArF laser light is preferably used for light exposure for forming the resist mask in the photolithography process. Here, the gap width between the lower end portion of the source electrode 114a and the lower end portion of the drain electrode 114b adjacent to each other on the oxide semiconductor film 106 is determined as follows.
The channel length L of the transistor is determined. Therefore, when exposure with a channel length L of less than 25 nm is performed, for example, ultra-ultraviolet (Extre) having a very short wavelength of several nm to several tens of nm.
It is preferable to perform exposure at the time of forming a resist mask in a photolithography process using me Ultraviolet. Exposure by extreme ultraviolet light has a high resolution and a large depth of focus. Therefore, the channel length L of a transistor to be formed later can be reduced, and the operation speed of the circuit can be increased.

なお、トランジスタ150のオン電流の低下を抑制する観点からは、酸化物半導体膜10
6のうちゲート電極110と重畳する部分の端部と、酸化物半導体膜106のうちソース
電極114aと接する部分の最もゲート電極に近い端部との隙間(図3(D)および図1
(A)のX部分。本明細書中では、当該部分を「Loff幅」と呼称する。)および、酸
化物半導体膜106のうちゲート電極110と重畳する部分の端部と、酸化物半導体膜1
06のうちドレイン電極114bと接する部分の最もゲート電極に近い端部との隙間(図
3(D)および図1(A)のY部分。当該部分についても、本明細書中では「Loff幅
」と呼称する。)が極力小さくなることが好ましい。図3(D)のX部分およびY部分を
小さくする方法としては、例えば、ソース電極114aの形成とドレイン電極114bの
形成に、異なるフォトマスクを用いて形成すればよい。これにより、露光時において、ソ
ース電極114aまたはドレイン電極114bの一方のみがゲート電極110に極力近づ
く状態にアライメントを行うことができるため、Loff幅を小さくすることができる。
Note that from the viewpoint of suppressing reduction in on-state current of the transistor 150, the oxide semiconductor film 10
6 between the end of the portion overlapping with the gate electrode 110 and the end of the oxide semiconductor film 106 in contact with the source electrode 114a closest to the gate electrode (FIG. 3D and FIG. 1).
X part of (A). In the present specification, this portion is referred to as “Loff width”. ) And an end portion of the oxide semiconductor film 106 overlapping with the gate electrode 110, and the oxide semiconductor film 1
06, the gap between the portion in contact with the drain electrode 114b and the end closest to the gate electrode (the Y portion in FIG. 3D and FIG. 1A). This portion is also referred to as “Loff width” in this specification. It is preferable that the above is reduced as much as possible. As a method for reducing the X portion and the Y portion in FIG. 3D, for example, the source electrode 114a and the drain electrode 114b may be formed using different photomasks. Accordingly, during the exposure, alignment can be performed so that only one of the source electrode 114a and the drain electrode 114b is as close as possible to the gate electrode 110, so that the Loff width can be reduced.

また、トランジスタ150のタクトやコストを低減する観点からは、フォトリソグラフィ
工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減することが好ましい。マスク数及び工程数
を削減する方法としては、例えば、透過した光が複数の強度となる露光マスクである多階
調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行えばよい。多階
調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチング
を行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数の
エッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくと
も二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よっ
て露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるた
め、工程の簡略化が可能となる。
From the viewpoint of reducing the tact and cost of the transistor 150, it is preferable to reduce the number of photomasks and the number of steps used in the photolithography step. As a method for reducing the number of masks and the number of steps, for example, an etching step may be performed using a resist mask formed by a multi-tone mask which is an exposure mask in which transmitted light has a plurality of intensities. A resist mask formed using a multi-tone mask has a shape with a plurality of thicknesses, and the shape can be further deformed by etching. Therefore, the resist mask can be used for a plurality of etching processes for processing into different patterns. . Therefore, a resist mask corresponding to at least two kinds of different patterns can be formed by using one multi-tone mask. Therefore, the number of exposure masks can be reduced, and the corresponding photolithography process can be reduced, so that the process can be simplified.

なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜106がエッチングされ、分断するこ
とのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみを
エッチングし、酸化物半導体膜106を全くエッチングしないという条件を得ることは難
しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜106は一部のみがエッチングされ、例
えば、酸化物半導体膜106の膜厚の5%以上50%以下がエッチングされ、溝部(凹部
)を有する酸化物半導体膜106となることもある。
Note that it is preferable that etching conditions be optimized so that the oxide semiconductor film 106 is not etched and divided when the conductive film is etched. However, it is difficult to obtain a condition that only the conductive film is etched and the oxide semiconductor film 106 is not etched at all, and only part of the oxide semiconductor film 106 is etched when the conductive film is etched. 5% or more and 50% or less of the film thickness of the semiconductor film 106 may be etched, whereby the oxide semiconductor film 106 having a groove (concave portion) may be formed.

ソース電極及びドレイン電極(これと同じ層で形成される配線を含む)に用いる導電膜と
して酸化物半導体材料を適用する場合には、導電膜をエッチングしてソース電極114a
およびドレイン電極114bを形成する際に、酸化物半導体膜106が極力エッチングさ
れないように、酸化物半導体膜106よりも十分エッチングされにくい酸化物半導体材料
を、導電膜として用いる必要がある。
In the case where an oxide semiconductor material is used for a conductive film used for a source electrode and a drain electrode (including a wiring formed using the same layer), the conductive film is etched to form the source electrode 114a.
In forming the drain electrode 114b, an oxide semiconductor material that is less easily etched than the oxide semiconductor film 106 needs to be used as the conductive film so that the oxide semiconductor film 106 is not etched as much as possible.

ソース電極114a及びドレイン電極114bに酸化物半導体材料を適用した場合、酸化
物半導体膜106の材料や成膜条件によっては、ソース電極114a及びドレイン電極1
14bと、酸化物半導体膜106との界面が不明確になる場合もある。また、界面が不明
確になる場合、ソース電極114a及びドレイン電極114bと、酸化物半導体膜106
との混合領域または混合層と呼ぶことのできる箇所が形成されることもある。
In the case where an oxide semiconductor material is used for the source electrode 114a and the drain electrode 114b, the source electrode 114a and the drain electrode 1 depend on the material of the oxide semiconductor film 106 and the deposition conditions.
The interface between 14b and the oxide semiconductor film 106 may be unclear. In the case where the interface is unclear, the source electrode 114a, the drain electrode 114b, and the oxide semiconductor film 106
A portion that can be called a mixed region or a mixed layer is sometimes formed.

なお、ソース電極114aおよびドレイン電極114bに用いる導電膜として、不純物イ
オンを導入して低抵抗化させた導電性材料、半導体材料を用いることもできる。
Note that as the conductive film used for the source electrode 114a and the drain electrode 114b, a conductive material or a semiconductor material in which impurity ions are introduced to reduce resistance can be used.

以上の工程によりトランジスタ150が形成される。トランジスタ150は、ゲート絶縁
膜108の形成により酸化物半導体膜106の領域106aに取り込まれる不純物(例え
ば、ゲート絶縁膜108を構成する元素であるシリコンなど。)が低減されている。これ
により、トランジスタ150のオン電流の低下を抑制することができる。よって、トラン
ジスタ150によって構成される半導体装置の動作特性の向上を図ることができる。そし
て、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ又は該トランジスタによって構成される半導体
装置の性能向上を図ることができる。
Through the above process, the transistor 150 is formed. In the transistor 150, impurities (for example, silicon which is an element included in the gate insulating film 108) in the region 106 a of the oxide semiconductor film 106 are reduced by formation of the gate insulating film 108. Accordingly, a decrease in on-state current of the transistor 150 can be suppressed. Thus, the operating characteristics of the semiconductor device including the transistor 150 can be improved. In addition, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved.

また、トランジスタ150上に絶縁膜を設けてもよい。当該絶縁膜としては、ゲート絶縁
膜108と同じ材料および成膜方法を用いることができるため、上述のゲート絶縁膜10
8の内容を参酌することができる。なお、酸化アルミニウム膜は外部からの水分や水素な
どの不純物の侵入を抑制する効果が高いため、当該絶縁膜として酸化アルミニウム膜、ま
たは酸化アルミニウム膜を含む積層膜を形成することが望ましく、より好ましくは、膜密
度が3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/cm以上の酸化アルミニウム膜を用
いることが望ましい。これにより、水分や水素などの不純物は酸化物半導体膜106に侵
入することを抑制できる。
Further, an insulating film may be provided over the transistor 150. As the insulating film, the same material and film formation method as those for the gate insulating film 108 can be used.
8 contents can be taken into consideration. Note that since the aluminum oxide film has a high effect of suppressing entry of impurities such as moisture and hydrogen from the outside, it is desirable and more preferable to form an aluminum oxide film or a stacked film including the aluminum oxide film as the insulating film. It is desirable to use an aluminum oxide film having a film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more. Accordingly, impurities such as moisture and hydrogen can be prevented from entering the oxide semiconductor film 106.

また、トランジスタ150上に平坦化絶縁膜を設けても良い。スピンコート法、印刷法、
ディスペンス法またはインクジェット法などを用いて絶縁性を有する材料を塗布し、塗布
した材料に応じた硬化処理(例えば、加熱処理や光照射処理など。)を行い形成してもよ
い。なお、絶縁性を有する材料としては、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリ
アミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂等の有機樹脂を用いて形成することが
できる。また、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラ
ス)、BPSG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形
成される絶縁膜を複数積層させてもよい。なお、平坦化絶縁膜は水分などの不純物を比較
的多く含んでいる場合が多いため、上述の絶縁膜(例えば、酸化アルミニウムや酸化アル
ミニウムを含む積層膜)上に形成することが好ましい。
Further, a planarization insulating film may be provided over the transistor 150. Spin coating method, printing method,
An insulating material may be applied using a dispensing method or an inkjet method, and a curing process (for example, a heat treatment or a light irradiation process) according to the applied material may be performed. Note that the insulating material can be formed using an organic resin such as an acrylic resin, a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamideimide resin, or an epoxy resin. Further, a low dielectric constant material (low-k material), a siloxane resin, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass), or the like can be used. Note that a plurality of insulating films formed using these materials may be stacked. Note that since the planarization insulating film often contains a relatively large amount of impurities such as moisture, the planarizing insulating film is preferably formed over the above-described insulating film (eg, a stacked film containing aluminum oxide or aluminum oxide).

以上のようにして、開示する発明の一態様は、酸化物半導体を用いた半導体装置において
、ゲート絶縁膜との界面近傍の酸化物半導体膜に含まれる不純物を低減することができる
。また、開示する発明の一態様は、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ又は該トランジ
スタによって構成される半導体装置の性能向上を図ることができる。
As described above, according to one embodiment of the disclosed invention, impurities contained in an oxide semiconductor film in the vicinity of an interface with a gate insulating film can be reduced in a semiconductor device including an oxide semiconductor. Further, according to one embodiment of the disclosed invention, the performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる構造の半導体装置及び半導体装置の作製方法
の一形態を、図4および図5を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device having a structure different from that in Embodiment 1 and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

<半導体装置の構成例>
図4(A)および図4(B)に、半導体装置の例として、トップゲート構造のトランジス
タの平面図および断面図の一例を示す。図4(A)は平面図であり、図4(B)は、図4
(A)におけるE−F断面の断面図である。なお、図4(A)では、煩雑になることを避
けるため、トランジスタ650の構成要素の一部(例えば、基板100など)を省略して
いる。
<Configuration example of semiconductor device>
4A and 4B illustrate an example of a plan view and a cross-sectional view of a top-gate transistor as an example of a semiconductor device. 4A is a plan view and FIG. 4B is a plan view of FIG.
It is sectional drawing of the EF cross section in (A). Note that in FIG. 4A, some components (eg, the substrate 100) of the transistor 650 are omitted in order to avoid complexity.

本実施の形態のトランジスタ650は、導電膜602が絶縁膜102と同一平面に、絶縁
膜102に隣接して設けられている点で、実施の形態1に記載のトランジスタと異なって
いる。
The transistor 650 of this embodiment is different from the transistor described in Embodiment 1 in that the conductive film 602 is provided on the same plane as the insulating film 102 and adjacent to the insulating film 102.

一般的に、活性層として酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、酸化物半導体膜と導電
膜との接触箇所において接触抵抗が高くなる傾向があるが、トランジスタを上述の構造と
することにより、ソース電極114aおよびドレイン電極114bは、酸化物半導体膜1
06の表面側だけでなく、裏面側においても電気的に接続されるため、酸化物半導体膜1
06とソース電極114aの接触抵抗および酸化物半導体膜106とドレイン電極114
bの接触抵抗を低減し、かつ接触抵抗のバラツキを低減することができる。これにより、
オン電流が高く、かつ、しきい値電圧のバラツキを抑制された、高性能なトランジスタと
することができるため、当該構造は酸化物半導体を用いたトランジスタに適した構造の1
つと言える。
In general, a transistor using an oxide semiconductor film as an active layer tends to have a high contact resistance at a contact portion between the oxide semiconductor film and the conductive film. The electrode 114a and the drain electrode 114b are formed of the oxide semiconductor film 1
The oxide semiconductor film 1 is electrically connected not only on the front surface side of 06 but also on the back surface side.
06 and the contact resistance between the source electrode 114 a and the oxide semiconductor film 106 and the drain electrode 114.
The contact resistance of b can be reduced, and the variation in contact resistance can be reduced. This
Since a high-performance transistor with high on-state current and suppressed variation in threshold voltage can be obtained, the structure is one of structures suitable for a transistor including an oxide semiconductor.
One can say.

<トランジスタ650の作製工程>
図5(A)乃至図5(E)を用いて、図4に示すトランジスタ650の作製工程の一例に
ついて説明する。
<Manufacturing Process of Transistor 650>
An example of a manufacturing process of the transistor 650 illustrated in FIGS. 4A to 4C will be described with reference to FIGS.

まず、基板100上に導電膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジス
トマスクを形成し、選択的にエッチングを行って、導電膜602を形成した後、レジスト
マスクを除去する(図5(A)参照。)。導電膜602に用いる材料などについては、上
述実施の形態のゲート電極110、ソース電極114a(またはドレイン電極114b)
の説明を参酌することができる。
First, a conductive film is formed over the substrate 100, a resist mask is formed over the conductive film by a photolithography process, selective etching is performed to form a conductive film 602, and then the resist mask is removed (FIG. 5 (A).) As for a material used for the conductive film 602, the gate electrode 110 and the source electrode 114a (or the drain electrode 114b) of the above embodiment mode.
You can refer to the explanation.

次に、基板100および導電膜602上に絶縁膜102を形成する(図5(B)参照。)
。ここで、絶縁膜102の表面は、少なくとも導電膜602の表面よりも高い位置とする
ことが好ましく、後述の平坦化処理を行うことにより、導電膜602の表面と絶縁膜10
2の表面を略同一とすることができる。これにより、後の工程において酸化物半導体膜1
06を成膜する際に、導電膜602と絶縁膜102の段差により酸化物半導体膜に断切れ
が生じるといった問題を抑制することができ、酸化物半導体膜106の膜厚を極めて薄く
することができるため、平坦化処理はトランジスタの微細化に対し有効な手段の一つと言
える。
Next, the insulating film 102 is formed over the substrate 100 and the conductive film 602 (see FIG. 5B).
. Here, the surface of the insulating film 102 is preferably at least a position higher than the surface of the conductive film 602, and the surface of the conductive film 602 and the insulating film 10 are formed by performing planarization treatment described below.
The two surfaces can be substantially the same. Accordingly, the oxide semiconductor film 1 is formed in a later process.
When the layer 06 is formed, a problem that the oxide semiconductor film is cut off due to a step between the conductive film 602 and the insulating film 102 can be suppressed, and the thickness of the oxide semiconductor film 106 can be extremely thin. Therefore, it can be said that the planarization treatment is one of effective means for miniaturization of a transistor.

次に、絶縁膜102に対して平坦化処理を施し、導電膜602の表面と略同一平面に表面
を有する絶縁膜102を形成する(図5(C)参照。)。なお、絶縁膜102の平坦化処
理は、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishin
g:CMP)処理を用いて行うことが好ましい。ここで、CMP処理とは、被加工物の表
面を基準にし、それにならって表面を化学的・機械的な複合作用により、平坦化する手法
である。一般的に研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラ
リー(研磨剤)を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて被
加工物の表面を、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との
機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
Next, planarization treatment is performed on the insulating film 102, so that the insulating film 102 having a surface substantially flush with the surface of the conductive film 602 is formed (see FIG. 5C). Note that the planarization treatment of the insulating film 102 is performed by chemical mechanical polishing (Chemical Mechanical Polishing).
g: CMP) treatment is preferably used. Here, the CMP process is a technique for flattening the surface by a combined chemical and mechanical action based on the surface of the workpiece. In general, a polishing cloth is attached on the polishing stage, and the polishing stage and the workpiece are rotated or swung while supplying slurry (abrasive) between the workpiece and the polishing cloth. In this method, the surface of the workpiece is polished by the chemical reaction between the slurry and the workpiece surface and the mechanical polishing of the polishing cloth and the workpiece.

CMP処理は、1回行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてCMP処理を
行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行う
のが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、導電膜
602表面と絶縁膜102表面の平坦性をさらに向上させることができる。
The CMP process may be performed once or a plurality of times. When performing the CMP process in a plurality of times, it is preferable to perform primary polishing at a low polishing rate after performing primary polishing at a high polishing rate. By combining polishing with different polishing rates in this manner, the flatness of the surface of the conductive film 602 and the surface of the insulating film 102 can be further improved.

また、絶縁膜102の平坦化処理として、ドライエッチング処理などを適用することも可
能である。エッチングガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化珪素または四塩化炭素などの
塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄または弗化窒素などのフッ素系ガス、酸素などを適宜
用いることができる。例えば、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive I
on Etching)法、ICP(Inductively Coupled Pla
sma)エッチング法、ECR(Electron Cyclotron Resona
nce)エッチング法、平行平板型(容量結合型)エッチング法、マグネトロンプラズマ
エッチング法、2周波プラズマエッチング法またはヘリコン波プラズマエッチング法等の
ドライエッチング法を用いることができる。特に絶縁膜102として窒化シリコンや窒化
酸化シリコンのような、窒素を多く含む無機絶縁材料が含まれる場合、CMP処理だけで
は窒素を多く含む無機絶縁材料の除去が困難な場合があるので、ドライエッチングなどを
併用することが好ましい。
Further, a dry etching process or the like can be applied as the planarization process of the insulating film 102. As an etching gas, a chlorine-based gas such as chlorine, boron chloride, silicon chloride, or carbon tetrachloride, a fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride, sulfur fluoride, or nitrogen fluoride, oxygen, or the like can be used as appropriate. For example, reactive ion etching (RIE: Reactive I)
on Etching), ICP (Inductively Coupled Pla)
sma) Etching, ECR (Electron Cyclotron Resona)
nce) A dry etching method such as an etching method, a parallel plate type (capacitive coupling type) etching method, a magnetron plasma etching method, a two-frequency plasma etching method or a helicon wave plasma etching method can be used. In particular, when the insulating film 102 includes an inorganic insulating material containing a large amount of nitrogen, such as silicon nitride or silicon nitride oxide, it may be difficult to remove the inorganic insulating material containing a large amount of nitrogen only by CMP treatment. Etc. are preferably used in combination.

また、絶縁膜102の平坦化処理として、プラズマ処理などを適用することも可能である
。プラズマ処理は、真空のチャンバーに不活性ガス、例えばアルゴンガスを導入し、被処
理面を陰極とする電界をかけて行う。その原理としてはプラズマドライエッチ法と同等で
あるが、不活性ガスを用いることで、通常のスパッタ成膜チャンバーにて処理可能であり
簡便な方法である。すなわち、このプラズマ処理は、被処理面に不活性ガスのイオンを照
射して、スパッタリング効果により表面の微細な凹凸を平坦化する処理である。このこと
から本明細書では、このプラズマ処理を「逆スパッタ」ともいう。
Further, plasma treatment or the like can be applied as planarization treatment of the insulating film 102. The plasma treatment is performed by introducing an inert gas such as argon gas into a vacuum chamber and applying an electric field with the surface to be treated as a cathode. The principle is the same as that of the plasma dry etching method, but by using an inert gas, it can be processed in a normal sputter deposition chamber and is a simple method. That is, this plasma treatment is a treatment for irradiating the surface to be treated with ions of an inert gas and flattening fine irregularities on the surface by a sputtering effect. Therefore, in this specification, this plasma treatment is also referred to as “reverse sputtering”.

なお、導電膜602および絶縁膜102の形状は、図5(D)のように島状に形成されて
いてもよい。また、図5(C)では導電膜602は、表面に近づくほど端部が狭まってい
る、所謂順テーパー状に形成されているが、図5(E)のように、表面に近づくほど端部
が広がっている、所謂逆テーパー状に形成してもよい。
Note that the conductive film 602 and the insulating film 102 may be formed in an island shape as illustrated in FIG. Further, in FIG. 5C, the conductive film 602 is formed in a so-called forward taper shape in which the end portion is narrowed toward the surface, but the end portion is closer to the surface as illustrated in FIG. You may form in what is called a reverse taper shape which has spread.

以降の工程については、図2(A)乃至図3(D)および当該図面の説明内容を参酌して
行えばよい。
The subsequent steps may be performed in consideration of FIGS. 2A to 3D and the description of the drawings.

以上の工程により、図4(B)に示すトランジスタ650を作製することができる。トラ
ンジスタ650は、実施の形態1にて記載した特徴以外に、上述のように、酸化物半導体
膜106とソース電極114aの接触抵抗および酸化物半導体膜106とドレイン電極1
14bの接触抵抗を低減し、かつ接触抵抗のバラツキを低減することができるため、オン
電流が高く、かつ、しきい値電圧のバラツキを抑制された、高性能なトランジスタとする
ことができる。このため、トランジスタ650によって構成される半導体装置の動作特性
の向上を図ることができる。そして、酸化物半導体膜を用いたトランジスタ又は該トラン
ジスタによって構成される半導体装置の性能向上を図ることができる。また、上述のよう
に、導電膜602の表面と絶縁膜102の表面を略同一とすることができ、酸化物半導体
膜106の膜厚を極めて薄くすることができるため、トランジスタの微細化に適した構造
の一つであると言える。
Through the above steps, the transistor 650 illustrated in FIG. 4B can be manufactured. In addition to the characteristics described in Embodiment 1, the transistor 650 includes the contact resistance between the oxide semiconductor film 106 and the source electrode 114a and the oxide semiconductor film 106 and the drain electrode 1 as described above.
Since the contact resistance of 14b can be reduced and variations in contact resistance can be reduced, a high-performance transistor with high on-current and suppressed variation in threshold voltage can be obtained. Thus, the operating characteristics of the semiconductor device including the transistor 650 can be improved. In addition, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved. In addition, as described above, the surface of the conductive film 602 and the surface of the insulating film 102 can be substantially the same, and the thickness of the oxide semiconductor film 106 can be extremely thin, which is suitable for transistor miniaturization. It can be said that this is one of the structures.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態3)
本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構造の半導体装置及び半導体装置の作製
方法の一形態を、図6乃至図8を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device having a different structure from the above embodiment and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

<半導体装置の構成例>
図6(A)および図6(B)に、半導体装置の例として、トップゲート構造のトランジス
タの平面図および断面図の一例を示す。図6(A)は平面図であり、図6(B)は、図6
(A)におけるG−H断面の断面図である。なお、図6(A)では、煩雑になることを避
けるため、トランジスタ850の構成要素の一部(例えば、基板100など)を省略して
いる。
<Configuration example of semiconductor device>
FIGS. 6A and 6B illustrate an example of a plan view and a cross-sectional view of a top-gate transistor as an example of a semiconductor device. 6A is a plan view and FIG. 6B is a plan view of FIG.
It is sectional drawing of the GH cross section in (A). Note that in FIG. 6A, some components of the transistor 850 (eg, the substrate 100) are omitted to avoid complexity.

図6(A)および図6(B)に示すトランジスタ850は、基板100上に、絶縁膜10
2と、酸化物半導体膜106と、絶縁膜107と、少なくとも酸化物半導体膜と重畳する
ゲート電極110と、層間絶縁膜800と、層間絶縁膜802と、絶縁膜107、層間絶
縁膜800および層間絶縁膜802の開口部を通じて酸化物半導体膜106と電気的に接
続するソース電極114aおよびドレイン電極114bを有している。
A transistor 850 illustrated in FIGS. 6A and 6B includes an insulating film 10 over a substrate 100.
2, oxide semiconductor film 106, insulating film 107, gate electrode 110 overlapping at least the oxide semiconductor film, interlayer insulating film 800, interlayer insulating film 802, insulating film 107, interlayer insulating film 800, and interlayer A source electrode 114 a and a drain electrode 114 b which are electrically connected to the oxide semiconductor film 106 through an opening in the insulating film 802 are provided.

トランジスタ850は、絶縁膜107が酸化物半導体膜106を覆う状態に形成されてい
る点と、ソース電極114aおよびドレイン電極114bが、絶縁膜107、層間絶縁膜
800および層間絶縁膜802の開口部を通して酸化物半導体膜106と電気的に接続し
ている点で、上述の実施の形態に記載したトランジスタの構造と異なっている。
In the transistor 850, the insulating film 107 is formed so as to cover the oxide semiconductor film 106, and the source electrode 114a and the drain electrode 114b pass through the openings of the insulating film 107, the interlayer insulating film 800, and the interlayer insulating film 802. It is different from the structure of the transistor described in the above embodiment in that it is electrically connected to the oxide semiconductor film 106.

トランジスタ850を、絶縁膜107が酸化物半導体膜106を覆う構造とすることによ
り、水分などの不純物が酸化物半導体膜106に侵入することを抑制できる。また、不純
物イオン130を酸化物半導体膜106に添加する際に、酸化物半導体膜106上には絶
縁膜107が存在するため、イオン添加により酸化物半導体膜106に生じるダメージ(
例えば酸化物半導体膜106中での格子欠陥の発生など)を低減することができる。
When the transistor 850 has a structure in which the insulating film 107 covers the oxide semiconductor film 106, entry of impurities such as moisture into the oxide semiconductor film 106 can be suppressed. In addition, when the impurity ions 130 are added to the oxide semiconductor film 106, the insulating film 107 exists over the oxide semiconductor film 106;
For example, occurrence of lattice defects in the oxide semiconductor film 106 can be reduced.

また、トランジスタ850を、ソース電極114aおよびドレイン電極114bが、絶縁
膜107、層間絶縁膜800および層間絶縁膜802の開口部を通して酸化物半導体膜1
06と電気的に接続している構造とすることにより、酸化物半導体膜106形成後におい
て酸化物半導体膜106がエッチング処理(例えば、ドライエッチング時のエッチングガ
スおよびプラズマや、ウェットエッチング時のエッチング剤など)に晒される箇所は、絶
縁膜107、層間絶縁膜800および層間絶縁膜802に形成される開口部のみであるた
め、当該エッチング処理により生じる物質によるトランジスタ850の汚染(例えば、ド
ライエッチング時に用いるエッチングガスが酸化物半導体膜106の金属元素と反応して
生じる金属化合物は導電性を有していることがあるため、ソース電極114aおよびドレ
イン電極114bのリークパスとなり得る可能性がある。)を抑制できる。また、ソース
電極114aおよびドレイン電極114bの一部がゲート電極110と重畳して形成され
ても、ソース電極114aとゲート電極110およびドレイン電極114bとゲート電極
110の間には層間絶縁膜が存在しており電気的に接続されることがない。これにより、
ソース電極114aおよびドレイン電極114bを極力、ゲート電極110に近づけて形
成することができるため、トランジスタの微細化に適した構造の一つと言える。
In the transistor 850, the source electrode 114a and the drain electrode 114b are formed in the oxide semiconductor film 1 through the openings of the insulating film 107, the interlayer insulating film 800, and the interlayer insulating film 802.
The oxide semiconductor film 106 is subjected to etching treatment after the oxide semiconductor film 106 is formed (for example, an etching gas and plasma during dry etching or an etchant during wet etching). The only portion exposed to the insulating film 107, the interlayer insulating film 800, and the interlayer insulating film 802 is exposed to the transistor 850 due to a substance generated by the etching process (for example, used during dry etching). Since the metal compound generated when the etching gas reacts with the metal element of the oxide semiconductor film 106 may have conductivity, it may be a leak path of the source electrode 114a and the drain electrode 114b. it can. Even when part of the source electrode 114 a and the drain electrode 114 b overlaps with the gate electrode 110, an interlayer insulating film exists between the source electrode 114 a and the gate electrode 110, the drain electrode 114 b, and the gate electrode 110. And is not electrically connected. This
Since the source electrode 114a and the drain electrode 114b can be formed as close to the gate electrode 110 as possible, it can be said to be one of structures suitable for miniaturization of a transistor.

<トランジスタ850の作製工程>
図7および図8を用いて、図6に示すトランジスタ850の作製工程の一例について説明
する。
<Manufacturing Process of Transistor 850>
An example of a manufacturing process of the transistor 850 illustrated in FIGS. 6A to 6C will be described with reference to FIGS.

まず、基板100上に絶縁膜102と、酸化物半導体膜106と、絶縁膜107を形成す
る(図7(A)参照。)。なお、当該工程は、図2(A)乃至図2(D)および当該図面
の説明内容を参酌して行えばよい。
First, the insulating film 102, the oxide semiconductor film 106, and the insulating film 107 are formed over the substrate 100 (see FIG. 7A). Note that this step may be performed in consideration of FIGS. 2A to 2D and the description of the drawings.

次に、絶縁膜107上にゲート電極110を形成し、ゲート電極110をマスクとして酸
化物半導体膜106中に不純物イオン130を添加して、酸化物半導体膜106中に低抵
抗領域106cを自己整合的に形成する(図7(B)参照。)。なお、当該工程は、図3
(A)乃至図3(C)および当該図面の説明内容を参酌して行えばよい。
Next, the gate electrode 110 is formed over the insulating film 107, and impurity ions 130 are added into the oxide semiconductor film 106 using the gate electrode 110 as a mask, so that the low-resistance region 106c is self-aligned in the oxide semiconductor film 106. (See FIG. 7B). The process is shown in FIG.
This may be done in consideration of (A) to FIG. 3 (C) and the description of the drawing.

次に、絶縁膜107およびゲート電極110上に、層間絶縁膜800および層間絶縁膜8
02を形成する(図7(C)参照。)。
Next, the interlayer insulating film 800 and the interlayer insulating film 8 are formed on the insulating film 107 and the gate electrode 110.
02 is formed (see FIG. 7C).

層間絶縁膜800としては、ゲート絶縁膜108と同じ材料および成膜方法を用いること
ができるため、上述の実施の形態にて記載したゲート絶縁膜108の内容を参酌すること
ができる。なお、酸化アルミニウム膜は外部からの水分や水素などの不純物の侵入を抑制
する効果が高いため、当該絶縁膜として酸化アルミニウム膜、または酸化アルミニウム膜
を含む積層膜を形成することが望ましく、より好ましくは、膜密度が3.2g/cm
上の酸化アルミニウム膜を用いることが望ましい。これにより、水分や水素などの不純物
は酸化物半導体膜106に侵入することを抑制できる。
The interlayer insulating film 800 can be formed using the same material and deposition method as the gate insulating film 108, so that the contents of the gate insulating film 108 described in the above embodiment can be referred to. Note that since the aluminum oxide film has a high effect of suppressing entry of impurities such as moisture and hydrogen from the outside, it is desirable and more preferable to form an aluminum oxide film or a stacked film including the aluminum oxide film as the insulating film. It is desirable to use an aluminum oxide film having a film density of 3.2 g / cm 3 or more. Accordingly, impurities such as moisture and hydrogen can be prevented from entering the oxide semiconductor film 106.

層間絶縁膜802としては、スピンコート法、印刷法、ディスペンス法またはインクジェ
ット法などを用いて絶縁性を有する材料を塗布し、塗布した材料に応じた硬化処理(例え
ば、加熱処理や光照射処理など。)を行い形成すればよい。なお、絶縁性を有する材料と
しては、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹
脂、エポキシ樹脂等の有機樹脂を用いて形成することができる。また、低誘電率材料(l
ow−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラ
ス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させて
もよい。なお、層間絶縁膜は水分などの不純物を比較的多く含んでいるため、上述の絶縁
膜(例えば、酸化アルミニウムや酸化アルミニウムを含む積層膜)上に形成することが好
ましい。
As the interlayer insulating film 802, an insulating material is applied by using a spin coating method, a printing method, a dispensing method, an ink jet method, or the like, and a curing process (for example, a heat treatment or a light irradiation process) according to the applied material. )). Note that the insulating material can be formed using an organic resin such as an acrylic resin, a polyimide resin, a polyamide resin, a polyamideimide resin, or an epoxy resin. In addition, low dielectric constant materials (l
ow-k material), siloxane-based resin, PSG (phosphorus glass), BPSG (phosphorus boron glass), or the like can be used. Note that a plurality of insulating films formed using these materials may be stacked. Note that since the interlayer insulating film contains a relatively large amount of impurities such as moisture, the interlayer insulating film is preferably formed over the above-described insulating film (for example, a stacked film containing aluminum oxide or aluminum oxide).

なお、本実施の形態では層間絶縁膜800と層間絶縁膜802の積層構造を形成したが、
いずれかの一方のみを形成してもよい。
Note that a stacked structure of the interlayer insulating film 800 and the interlayer insulating film 802 is formed in this embodiment mode.
Only one of them may be formed.

次に、酸化物半導体膜と重畳する領域の絶縁膜107、層間絶縁膜800および層間絶縁
膜802の少なくとも一部に開口部を形成した後に、当該開口部を通じて酸化物半導体膜
106に電気的に接続されたソース電極114aおよびドレイン電極114bを形成する
(図8(A)参照。)。
Next, after an opening is formed in at least part of the insulating film 107, the interlayer insulating film 800, and the interlayer insulating film 802 in a region overlapping with the oxide semiconductor film, the oxide semiconductor film 106 is electrically connected to the oxide semiconductor film 106 through the opening. A connected source electrode 114a and drain electrode 114b are formed (see FIG. 8A).

なお、絶縁膜107、層間絶縁膜800および層間絶縁膜802のエッチングは、ドライ
エッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。また、当該エッチン
グ処理の際に、酸化物半導体膜106がエッチングされ、分断することのないようエッチ
ング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、絶縁膜107、層間絶縁膜800
および層間絶縁膜802のみをエッチングし、酸化物半導体膜106を全くエッチングし
ないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体膜106は
一部のみがエッチングされ、例えば、酸化物半導体膜106の膜厚の5%以上50%以下
がエッチングされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体膜106となることもある。
Note that the etching of the insulating film 107, the interlayer insulating film 800, and the interlayer insulating film 802 may be dry etching, wet etching, or both. In addition, it is preferable that etching conditions be optimized so that the oxide semiconductor film 106 is not etched and divided during the etching treatment. However, the insulating film 107 and the interlayer insulating film 800
In addition, it is difficult to obtain a condition that only the interlayer insulating film 802 is etched and the oxide semiconductor film 106 is not etched at all. When the conductive film is etched, only part of the oxide semiconductor film 106 is etched. In some cases, 5% to 50% of the thickness of the physical semiconductor film 106 is etched, whereby the oxide semiconductor film 106 having a groove (concave portion) is formed.

ソース電極114aおよびドレイン電極114bの形成工程については、図3(D)およ
び当該図面の説明内容を参酌して行えばよい。また、当該工程の後、ソース電極114a
、ドレイン電極114bおよび層間絶縁膜802に対して平坦化処理を行ってもよい。こ
れにより、トランジスタ850上に更にトランジスタを積層させて形成する場合において
、被形成面(つまり、ソース電極114a、ドレイン電極114bおよび層間絶縁膜80
2の表面)の平坦性が高いため、トランジスタの作製が容易となる。なお、平坦化処理に
ついては、上述の実施の形態に記載された平坦化処理の方法を参酌することができる。
The formation process of the source electrode 114a and the drain electrode 114b may be performed in consideration of FIG. 3D and the description of the drawing. In addition, after the step, the source electrode 114a
The planarization treatment may be performed on the drain electrode 114b and the interlayer insulating film 802. Thus, in the case where transistors are further stacked over the transistor 850, formation surfaces (that is, the source electrode 114a, the drain electrode 114b, and the interlayer insulating film 80) are formed.
Since the flatness of the surface (2) is high, a transistor can be easily manufactured. Note that for the planarization treatment, the planarization treatment method described in the above embodiment can be referred to.

以上の工程により、図6(B)に示すトランジスタ850を作製することができる。トラ
ンジスタ850は、実施の形態1にて記載した特徴以外に、上述のように、イオン添加に
より酸化物半導体膜106に生じるダメージ(例えば酸化物半導体膜106中での格子欠
陥の発生など)を低減することができる。また、上述のように、酸化物半導体膜106が
エッチング処理に晒される箇所を限定できるため、エッチング処理によるトランジスタの
汚染を抑制することができる。このため、トランジスタ850によって構成される半導体
装置の動作特性の向上を図ることができる。そして、酸化物半導体膜を用いたトランジス
タ又は該トランジスタによって構成される半導体装置の性能向上を図ることができる。ま
た、上述のように、ソース電極114aおよびドレイン電極114bの一部がゲート電極
110と重畳して形成されても電気的に接続されないため、ソース電極114aおよびド
レイン電極114bを極力、ゲート電極110に近づけて形成することができ、トランジ
スタの微細化に適した構造の一つと言える。
Through the above steps, the transistor 850 illustrated in FIG. 6B can be manufactured. In addition to the characteristics described in Embodiment 1, the transistor 850 reduces damage (for example, generation of lattice defects in the oxide semiconductor film 106) caused in the oxide semiconductor film 106 due to ion addition as described above. can do. Further, as described above, the portion where the oxide semiconductor film 106 is exposed to the etching treatment can be limited; thus, contamination of the transistor due to the etching treatment can be suppressed. Thus, the operating characteristics of the semiconductor device including the transistor 850 can be improved. In addition, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved. In addition, as described above, even if part of the source electrode 114a and the drain electrode 114b is formed so as to overlap with the gate electrode 110, the source electrode 114a and the drain electrode 114b are not connected to the gate electrode 110 as much as possible. This can be said to be one of the structures suitable for miniaturization of transistors.

また、図8(B)に示すように、絶縁膜102中に導電膜602を有する構造であっても
よい。トランジスタ850を図8(B)に示す構造とすることにより、絶縁膜107、層
間絶縁膜800および層間絶縁膜802の一部に開口部を形成する際に、開口部の酸化物
半導体膜106がオーバーエッチングされて無くなってしまった場合においても、ソース
電極114aおよびドレイン電極114bは、酸化物半導体膜106の側壁部分で電気的
に接続される以外に、導電膜602を介して酸化物半導体膜106と電気的に接続される
ため、オーバーエッチング時においても良好なコンタクト抵抗を維持することができるた
め、特に酸化物半導体膜106の膜厚が薄い場合(つまり、トランジスタの微細化)に適
した構造といえる。
Alternatively, as illustrated in FIG. 8B, a structure in which the conductive film 602 is included in the insulating film 102 may be employed. With the structure of the transistor 850 illustrated in FIG. 8B, when the opening is formed in part of the insulating film 107, the interlayer insulating film 800, and the interlayer insulating film 802, the oxide semiconductor film 106 in the opening can be formed. Even when the source electrode 114a and the drain electrode 114b are removed by overetching, the oxide semiconductor film 106 is not electrically connected to the side wall portion of the oxide semiconductor film 106, but is connected to the oxide semiconductor film 106 through the conductive film 602. Therefore, a favorable contact resistance can be maintained even during over-etching, and thus a structure suitable for a case where the oxide semiconductor film 106 is thin (that is, miniaturization of a transistor) It can be said.

(実施の形態4)
本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構造の半導体装置及び半導体装置の作製
方法の一形態を、図9乃至図12を用いて説明する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device having a different structure from the above embodiment and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

<半導体装置の構成例>
図9(A)および図9(B)に、半導体装置の例として、トップゲート構造のトランジス
タの平面図および断面図の一例を示す。図9(A)は平面図であり、図9(B)は、図9
(A)におけるI−J断面の断面図である。なお、図9(A)では、煩雑になることを避
けるため、トランジスタ1150の構成要素の一部(例えば、基板100など)を省略し
ている。
<Configuration example of semiconductor device>
9A and 9B illustrate an example of a plan view and a cross-sectional view of a top-gate transistor as an example of a semiconductor device. 9A is a plan view, and FIG. 9B is a plan view of FIG.
It is sectional drawing of the IJ cross section in (A). Note that in FIG. 9A, some components of the transistor 1150 (eg, the substrate 100) are omitted to avoid complexity.

図9(A)および図9(B)に示すトランジスタ1150は、基板100上に、絶縁膜1
02と、酸化物半導体膜106と、ゲート絶縁膜108と、少なくとも酸化物半導体膜と
重畳するゲート電極110と、絶縁膜1101と、側壁絶縁膜1102と、酸化物半導体
膜106と電気的に接続するソース電極114aおよびドレイン電極114bを有してい
る。
A transistor 1150 illustrated in FIGS. 9A and 9B includes an insulating film 1 over a substrate 100.
02, the oxide semiconductor film 106, the gate insulating film 108, the gate electrode 110 overlapping with at least the oxide semiconductor film, the insulating film 1101, the sidewall insulating film 1102, and the oxide semiconductor film 106 are electrically connected. A source electrode 114a and a drain electrode 114b.

トランジスタ1150は、ゲート電極110上に絶縁膜1101が、ゲート電極110の
側面に側壁絶縁膜1102が設けられている点と、ソース電極114aおよびドレイン電
極114bが側壁絶縁膜1102に接して設けられている点において、上述の実施の形態
に記載したトランジスタの構造と異なっている。
In the transistor 1150, an insulating film 1101 is provided over the gate electrode 110, a side wall insulating film 1102 is provided on a side surface of the gate electrode 110, and a source electrode 114a and a drain electrode 114b are provided in contact with the side wall insulating film 1102. In this respect, the structure of the transistor described in the above embodiment is different.

トランジスタ1150は、後述のトランジスタ1150の作製方法でも記載するが、ソー
ス電極114aおよびドレイン電極114bとして用いる導電膜を、酸化物半導体膜10
6、絶縁膜1101および側壁絶縁膜1102上に形成した後、導電膜に対して平坦化処
理(研磨処理とも言える。)を行い導電膜の一部を除去することで、ソース電極114a
およびドレイン電極114bを形成する。そのため、ソース電極114aおよびドレイン
電極114bの形成にフォトリソグラフィ工程を用いる必要がなく、露光機の精度やフォ
トマスクのアライメントズレに影響されずにLoff幅を非常に小さくすることが可能と
なるため、トランジスタ1150のオン電流の低下を抑制することができる。また、当該
構造はトランジスタの微細化に適した構造の一つと言える。
Although the transistor 1150 will be described in a manufacturing method of the transistor 1150, which will be described later, a conductive film used as the source electrode 114a and the drain electrode 114b is formed as the oxide semiconductor film 10
6. After the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 are formed, the conductive film is planarized (also referred to as a polishing process) and part of the conductive film is removed, whereby the source electrode 114a.
And the drain electrode 114b is formed. Therefore, it is not necessary to use a photolithography process for forming the source electrode 114a and the drain electrode 114b, and the Loff width can be made extremely small without being affected by the accuracy of the exposure machine and the alignment shift of the photomask. A decrease in on-state current of the transistor 1150 can be suppressed. Further, this structure can be said to be one of structures suitable for transistor miniaturization.

<トランジスタ1150の作製工程>
図10および図11を用いて、図9に示すトランジスタ1150の作製工程の一例につい
て説明する。
<Manufacturing Process of Transistor 1150>
An example of a manufacturing process of the transistor 1150 illustrated in FIGS. 9A to 9C will be described with reference to FIGS.

まず、基板100上に絶縁膜102と、酸化物半導体膜106と、絶縁膜107を形成す
る(図10(A)参照。)。なお、当該工程は、図2(A)乃至図2(D)および当該図
面の説明内容を参酌して行えばよい。
First, the insulating film 102, the oxide semiconductor film 106, and the insulating film 107 are formed over the substrate 100 (see FIG. 10A). Note that this step may be performed in consideration of FIGS. 2A to 2D and the description of the drawings.

次に、ゲート電極110(これと同じ層で形成される配線を含む)を形成するための導電
膜109および、絶縁膜1101を形成するための絶縁膜1100を成膜する(図10(
B)参照。)。なお、絶縁膜1100としては、ゲート絶縁膜108と同じ材料および成
膜方法を用いることができるため、上述の実施の形態にて記載したゲート絶縁膜108の
内容を参酌することができる。
Next, a conductive film 109 for forming the gate electrode 110 (including a wiring formed of the same layer as this) and an insulating film 1100 for forming the insulating film 1101 are formed (FIG. 10 (FIG. 10).
See B). ). Note that the insulating film 1100 can be formed using the same material and deposition method as the gate insulating film 108; therefore, the contents of the gate insulating film 108 described in the above embodiment can be referred to.

次に、フォトリソグラフィ工程により導電膜109および絶縁膜1100を島状に加工し
、ゲート電極110および絶縁膜1101を形成する(図10(C)参照。)。また、ゲ
ート電極110および絶縁膜1101を形成するためのレジストマスクをインクジェット
法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使
用しないため、製造コストを低減できる。なお、導電膜109および絶縁膜1100のエ
ッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
Next, the conductive film 109 and the insulating film 1100 are processed into island shapes by a photolithography step, so that the gate electrode 110 and the insulating film 1101 are formed (see FIG. 10C). Further, a resist mask for forming the gate electrode 110 and the insulating film 1101 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used. Note that the etching of the conductive film 109 and the insulating film 1100 may be dry etching or wet etching, or both may be used.

なお、本実施の形態では、導電膜109および絶縁膜1100を成膜後に両者を加工して
ゲート電極110および絶縁膜1101を形成し、その後、側壁絶縁膜1102を形成す
る順序で説明を行うため、図9(B)のように絶縁膜1101と側壁絶縁膜1102が別
の構成要素として記載されているが、絶縁膜1101と側壁絶縁膜1102は同一の膜で
あってもよい。絶縁膜1101と側壁絶縁膜1102を同一の膜とするためには、まずゲ
ート電極110を形成した後に、絶縁膜1101および側壁絶縁膜1102として機能す
る絶縁膜を、ゲート電極110を覆う状態に形成すればよい。
Note that in this embodiment, the conductive film 109 and the insulating film 1100 are formed and then processed to form the gate electrode 110 and the insulating film 1101, and then the sidewall insulating film 1102 is formed in this order. Although the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 are described as separate components as shown in FIG. 9B, the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 may be the same film. In order to make the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 the same film, first, after forming the gate electrode 110, an insulating film functioning as the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 is formed so as to cover the gate electrode 110. do it.

次に、イオンドーピング法やイオン注入法により、酸化物半導体膜106の抵抗値を低減
する機能を有する不純物イオン130を、酸化物半導体膜106に添加する。この際、ゲ
ート電極110および絶縁膜1101がマスクとして機能するため、酸化物半導体膜10
6中に低抵抗領域106cが自己整合的に形成される(図11(A)参照。)。
Next, impurity ions 130 having a function of reducing the resistance value of the oxide semiconductor film 106 are added to the oxide semiconductor film 106 by an ion doping method or an ion implantation method. At this time, since the gate electrode 110 and the insulating film 1101 function as a mask, the oxide semiconductor film 10
6 is formed in a self-aligned manner (see FIG. 11A).

次に、絶縁膜102と同様の材料および方法で絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜をエッチング
することにより側壁絶縁膜1102を形成する。側壁絶縁膜1102は、絶縁膜に異方性
の高いエッチング工程を行うことで自己整合的に形成することができる。例えば、ドライ
エッチング法を用いると好ましい。ドライエッチング法に用いるエッチングガスとしては
、例えば、トリフルオロメタン、オクタフルオロシクロブタン、テトラフルオロメタンな
どのフッ素を含むガスが挙げられる。エッチングガスには、希ガスまたは水素を添加して
もよい。ドライエッチング法は、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエッチング
法(RIE法)を用いると好ましい。
Next, an insulating film is formed using a material and a method similar to those of the insulating film 102, and the sidewall insulating film 1102 is formed by etching the insulating film. The sidewall insulating film 1102 can be formed in a self-aligned manner by performing a highly anisotropic etching process on the insulating film. For example, it is preferable to use a dry etching method. Examples of the etching gas used for the dry etching method include a gas containing fluorine such as trifluoromethane, octafluorocyclobutane, and tetrafluoromethane. A rare gas or hydrogen may be added to the etching gas. The dry etching method is preferably a reactive ion etching method (RIE method) in which a high frequency voltage is applied to the substrate.

そして、側壁絶縁膜1102を形成した後、ゲート電極110、絶縁膜1101および側
壁絶縁膜1102をマスクとして絶縁膜107を加工し、ゲート絶縁膜108を形成する
ことができる(図11(B)参照。)なお、側壁絶縁膜1102の形成と同じ工程でゲー
ト絶縁膜108を形成してもよい。
Then, after the sidewall insulating film 1102 is formed, the gate insulating film 108 can be formed by processing the insulating film 107 using the gate electrode 110, the insulating film 1101, and the sidewall insulating film 1102 as a mask (see FIG. 11B). Note that the gate insulating film 108 may be formed in the same step as the formation of the sidewall insulating film 1102.

なお、本実施の形態では、ゲート電極110および絶縁膜1101の形成直後の工程にお
いて、ゲート電極110および絶縁膜1101をマスクに用いて酸化物半導体膜106中
に不純物イオン130を添加したが、側壁絶縁膜1102の形成後にゲート電極110、
絶縁膜1101および側壁絶縁膜1102をマスクに用いて、酸化物半導体膜106中に
不純物イオン130を添加してもよい。
Note that in this embodiment, the impurity ions 130 are added to the oxide semiconductor film 106 in the step immediately after the formation of the gate electrode 110 and the insulating film 1101 using the gate electrode 110 and the insulating film 1101 as a mask. After the formation of the insulating film 1102, the gate electrode 110,
The impurity ions 130 may be added to the oxide semiconductor film 106 using the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 as masks.

次に、酸化物半導体膜106、絶縁膜1101および側壁絶縁膜1102上に、ソース電
極114aおよびドレイン電極114b(これと同じ層で形成される配線を含む)を形成
するための導電膜1104を形成し、導電膜1104上に層間絶縁膜802を成膜する(
図11(C)参照。)。なお、導電膜1104としては、例えば、アルミニウム、クロム
、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素を含む金属膜、ま
たは上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タ
ングステン膜)等を用いることができる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側又
は上側の一方または双方にチタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜または
それらの金属窒化物膜(窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)を積層
させた構成としても良い。また、ソース電極及びドレイン電極に用いる導電膜は、導電性
の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム(In
)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、インジウムスズ酸化物(In
−SnO、ITOと略記する)、インジウム亜鉛酸化物(In−ZnO)を用い
ることができる。ソース電極及びドレイン電極に用いる導電膜は、上記の材料を用いて単
層で又は積層して成膜することができる。形成方法も特に限定されず、蒸着法、CVD法
、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。なお、
層間絶縁膜802については、実施の形態3にて記載した層間絶縁膜802の材料や成膜
方法を参酌することができる。
Next, a conductive film 1104 for forming a source electrode 114a and a drain electrode 114b (including a wiring formed using the same layer) is formed over the oxide semiconductor film 106, the insulating film 1101, and the sidewall insulating film 1102. Then, an interlayer insulating film 802 is formed over the conductive film 1104 (
Refer to FIG. ). Note that as the conductive film 1104, for example, a metal film containing an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten, or a metal nitride film containing any of the above-described elements (a titanium nitride film, A molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used. Further, a refractory metal film such as titanium, molybdenum, or tungsten or a metal nitride film thereof (titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film) on one or both of the lower side or upper side of a metal film such as aluminum or copper It is good also as a structure which laminated | stacked. Further, the conductive film used for the source electrode and the drain electrode may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide (In 2 O
3 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), indium tin oxide (In 2 O 3)
-SnO 2, abbreviated to ITO), indium zinc oxide (In 2 O 3 -ZnO). The conductive film used for the source electrode and the drain electrode can be formed as a single layer or stacked layers using any of the above materials. There is no particular limitation on the formation method, and various film formation methods such as an evaporation method, a CVD method, a sputtering method, and a spin coating method can be used. In addition,
For the interlayer insulating film 802, the material and the deposition method of the interlayer insulating film 802 described in Embodiment 3 can be referred to.

次に、導電膜1104に対して上面から平坦化処理を行い、絶縁膜1101および側壁絶
縁膜1102上の少なくとも一部の導電膜1104ならびに、少なくとも一部の層間絶縁
膜802を除去することで、導電膜1104は少なくとも絶縁膜1100上または側壁絶
縁膜1102で分断され、ソース電極114aおよびドレイン電極114bがゲート電極
110を挟む状態に形成される(図12(A)参照。)。なお、ここでの平坦化処理は、
実施の形態1にて記載した絶縁膜102に対しての平坦化処理の内容を参酌することがで
きる。
Next, planarization treatment is performed on the conductive film 1104 from above, and at least part of the conductive film 1104 and at least part of the interlayer insulating film 802 over the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102 are removed. The conductive film 1104 is divided at least over the insulating film 1100 or the sidewall insulating film 1102 so that the source electrode 114a and the drain electrode 114b sandwich the gate electrode 110 (see FIG. 12A). The planarization process here is
The content of the planarization treatment performed on the insulating film 102 described in Embodiment 1 can be referred to.

なお、平坦化処理は導電膜1104および層間絶縁膜802に対して行うだけでなく、絶
縁膜1101や側壁絶縁膜1102に対して行ってもよい。
Note that the planarization treatment may be performed not only on the conductive film 1104 and the interlayer insulating film 802 but also on the insulating film 1101 and the sidewall insulating film 1102.

なお、図12(A)では、ソース電極114aおよびドレイン電極114bの表面と、絶
縁膜1101および層間絶縁膜802の表面が同一平面に位置しているが、CMP装置に
よりソース電極114a、ドレイン電極114bおよび絶縁膜1101を研磨する場合、
ソース電極114aおよびドレイン電極114bと、絶縁膜1101および層間絶縁膜8
02の研磨スピードが異なる場合、ソース電極114aおよびドレイン電極114bの表
面と、絶縁膜1101および層間絶縁膜802の表面は高さが異なり段差が生じることが
あり、例えば、ソース電極114aおよびドレイン電極114bの表面が絶縁膜1101
の表面より低くなる(凹状となる)場合がある。
Note that in FIG. 12A, the surfaces of the source electrode 114a and the drain electrode 114b and the surfaces of the insulating film 1101 and the interlayer insulating film 802 are located on the same plane, but the source electrode 114a and the drain electrode 114b are formed by a CMP apparatus. And when the insulating film 1101 is polished,
Source electrode 114a and drain electrode 114b, insulating film 1101 and interlayer insulating film 8
When the polishing speed of 02 is different, the surfaces of the source electrode 114a and the drain electrode 114b and the surfaces of the insulating film 1101 and the interlayer insulating film 802 may be different in height and may have a level difference. For example, the source electrode 114a and the drain electrode 114b The surface of the insulating film 1101
In some cases, the surface becomes lower (concave).

以上の工程により、図12(A)に示すトランジスタ1150を作製することができる。
トランジスタ1150は、実施の形態1にて記載した特徴以外に、上述のように、トラン
ジスタのオン電流の低下を抑制することができる。よって、トランジスタ1150によっ
て構成される半導体装置の動作特性の向上を図ることができる。そして、酸化物半導体膜
を用いたトランジスタ又は該トランジスタによって構成される半導体装置の性能向上を図
ることができる。また、ソース電極114aおよびドレイン電極114bの形成にフォト
リソグラフィ工程を用いる必要がなく、露光機の精度やフォトマスクのアライメントズレ
に影響されずにLoff幅を非常に小さくすることが可能であり、トランジスタの微細化
に適した構造の一つといえる。
Through the above steps, the transistor 1150 illustrated in FIG. 12A can be manufactured.
In addition to the characteristics described in Embodiment 1, the transistor 1150 can suppress a decrease in on-state current of the transistor as described above. Therefore, the operating characteristics of the semiconductor device including the transistor 1150 can be improved. In addition, performance of a transistor including an oxide semiconductor film or a semiconductor device including the transistor can be improved. In addition, it is not necessary to use a photolithography process for forming the source electrode 114a and the drain electrode 114b, and the Loff width can be made extremely small without being affected by the accuracy of the exposure apparatus and the alignment deviation of the photomask. It can be said that it is one of the structures suitable for miniaturization.

また、トランジスタ1150上に絶縁膜を設けてもよい。当該絶縁膜としては、ゲート絶
縁膜108と同じ材料および成膜方法を用いることができるため、上述のゲート絶縁膜1
08の内容を参酌することができる。なお、酸化アルミニウム膜は外部からの水分の侵入
を抑制する効果が高いため、当該絶縁膜として酸化アルミニウム膜、または酸化アルミニ
ウム膜を含む積層膜を形成することが望ましく、より好ましくは、膜密度が3.2g/c
以上、好ましくは3.6g/cm以上の酸化アルミニウム膜を用いることが望まし
い。なお、当該絶縁膜は、トランジスタ1150の形成前に成膜してもよい。例えば、側
壁絶縁膜1102を形成した後に、導電膜1104、当該絶縁膜、層間絶縁膜802の順
に成膜を行い、その後にCMPなどの平坦化処理を行ってもよい。図9(B)の構造の場
合、仮に、層間絶縁膜802の膜中に水分や水素などの不純物が混入されていても、これ
らの不純物が酸化物半導体膜106に到達することを抑制できるため好ましい。
Further, an insulating film may be provided over the transistor 1150. As the insulating film, the same material and film formation method as those for the gate insulating film 108 can be used.
The contents of 08 can be taken into consideration. Note that since the aluminum oxide film has a high effect of suppressing entry of moisture from the outside, it is desirable to form an aluminum oxide film or a stacked film including the aluminum oxide film as the insulating film, and more preferably, the film density is 3.2 g / c
It is desirable to use an aluminum oxide film of m 3 or more, preferably 3.6 g / cm 3 or more. Note that the insulating film may be formed before the transistor 1150 is formed. For example, after the sidewall insulating film 1102 is formed, the conductive film 1104, the insulating film, and the interlayer insulating film 802 may be sequentially formed, and then planarization treatment such as CMP may be performed. In the case of the structure in FIG. 9B, even if impurities such as moisture and hydrogen are mixed in the interlayer insulating film 802, the impurities can be prevented from reaching the oxide semiconductor film 106. preferable.

なお、トランジスタ1150は図12(B)に示すように、絶縁膜102中に導電膜60
2を有する構造であってもよい。トランジスタ1150を図12(B)に示す構造とする
ことにより、ソース電極114aおよびドレイン電極114bは、酸化物半導体膜106
の表面側だけでなく、裏面側においても電気的に接続されるため、酸化物半導体膜106
とソース電極114aの接触抵抗および酸化物半導体膜106とドレイン電極114bの
接触抵抗を低減し、かつ接触抵抗のバラツキを低減することができる。これにより、オン
電流が高く、かつ、しきい値電圧のバラツキを抑制された、高性能なトランジスタとする
ことができるため、当該構造は酸化物半導体を用いたトランジスタに適した構造の1つと
言える。
Note that the transistor 1150 includes a conductive film 60 in the insulating film 102 as illustrated in FIG.
2 may be used. With the structure of the transistor 1150 illustrated in FIG. 12B, the source electrode 114a and the drain electrode 114b are formed of the oxide semiconductor film 106.
The oxide semiconductor film 106 is electrically connected not only on the front surface side but also on the back surface side.
The contact resistance between the source electrode 114a and the contact resistance between the oxide semiconductor film 106 and the drain electrode 114b can be reduced, and the variation in contact resistance can be reduced. Accordingly, a high-performance transistor with high on-state current and low variation in threshold voltage can be obtained; thus, the structure can be said to be one of structures suitable for a transistor including an oxide semiconductor. .

(実施の形態5)
本実施の形態では、上述の実施の形態とは異なる構造の半導体装置及び半導体装置の作製
方法の一形態を、図13および図14を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, one embodiment of a semiconductor device having a structure different from that of the above embodiment and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

<半導体装置の構成例>
図13(A)および図13(B)に、半導体装置の例として、トップゲート構造のトラン
ジスタの平面図および断面図の一例を示す。図13(A)は平面図であり、図13(B)
は、図13(A)におけるK−L断面の断面図である。なお、図13(A)では、煩雑に
なることを避けるため、トランジスタ1350の構成要素の一部(例えば、基板100な
ど)を省略している。
<Configuration example of semiconductor device>
FIGS. 13A and 13B illustrate an example of a plan view and a cross-sectional view of a top-gate transistor as an example of a semiconductor device. FIG. 13A is a plan view, and FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view taken along a line KL in FIG. Note that in FIG. 13A, some components of the transistor 1350 (eg, the substrate 100) are omitted to avoid complexity.

図13(A)および図13(B)に示すトランジスタ1350は、基板100上に、絶縁
膜102と、酸化物半導体膜106と、酸化物半導体膜106と電気的に接続するソース
電極114aおよびドレイン電極114bと、ゲート絶縁膜108と、少なくとも酸化物
半導体膜と重畳するゲート電極110を有している。
A transistor 1350 illustrated in FIGS. 13A and 13B includes an insulating film 102, an oxide semiconductor film 106, and a source electrode 114a and a drain which are electrically connected to the oxide semiconductor film 106 over a substrate 100. The electrode 114b, the gate insulating film 108, and the gate electrode 110 overlapping with at least the oxide semiconductor film are provided.

トランジスタ1350は、酸化物半導体膜106上全体にゲート絶縁膜108が形成され
ている点において、上述の実施の形態に記載したトランジスタの構造と異なっている。
The transistor 1350 is different from the structure of the transistor described in the above embodiment in that the gate insulating film 108 is formed over the entire oxide semiconductor film 106.

上述の実施の形態のように、酸化物半導体膜106上の一部のみにゲート絶縁膜が形成さ
れた構造では、ゲート絶縁膜108が加熱処理により酸素を放出する膜であっても、ゲー
ト絶縁膜108の端部から酸素(ゲート絶縁膜108中の過剰酸素。)が放出されてしま
うため、酸化物半導体膜106中の酸素欠損低減効果が少ない場合がある。
In the structure in which the gate insulating film is formed only on part of the oxide semiconductor film 106 as in the above embodiment mode, even if the gate insulating film 108 is a film that releases oxygen by heat treatment, the gate insulating film Since oxygen (excess oxygen in the gate insulating film 108) is released from an end portion of the film 108, an effect of reducing oxygen vacancies in the oxide semiconductor film 106 may be small.

しかしながら、本実施の形態に記載のとおり、酸化物半導体膜106上全体にゲート絶縁
膜108が形成された構造とすることで、加熱処理により放出された酸素がゲート絶縁膜
108の端部から放出されてしまうことが無いため、上述の問題を解決できる。
However, as described in this embodiment, with the structure in which the gate insulating film 108 is formed over the entire oxide semiconductor film 106, oxygen released by heat treatment is released from an end portion of the gate insulating film 108. The above-mentioned problems can be solved because there is no such a problem.

<トランジスタ1350の作製工程>
図14を用いて、図13に示すトランジスタ1350の作製工程の一例について説明する
<Manufacturing Process of Transistor 1350>
An example of a manufacturing process of the transistor 1350 illustrated in FIG. 13 will be described with reference to FIGS.

まず、基板100上に絶縁膜102と、酸化物半導体膜106を形成する(図14(A)
参照。)。なお、当該工程は、図2(A)乃至図2(C)および当該図面の説明に対応す
る上述の実施の形態の内容を参酌して行えばよい。
First, the insulating film 102 and the oxide semiconductor film 106 are formed over the substrate 100 (FIG. 14A).
reference. ). Note that this step may be performed in consideration of FIGS. 2A to 2C and the above embodiment corresponding to the description of the drawings.

次に、酸化物半導体膜106と接するソース電極114aおよびドレイン電極114bを
形成し、酸化物半導体膜106ならびにソース電極114aおよびドレイン電極114b
上にゲート絶縁膜108を形成する(図14(B)参照。)。なお、ソース電極114a
およびドレイン電極114bの形成は、図3(D)および当該図面の説明内容を参酌して
行えばよく、ゲート絶縁膜108の形成は、図2(D)および当該図面の説明内容を参酌
して行えばよい。
Next, the source electrode 114a and the drain electrode 114b in contact with the oxide semiconductor film 106 are formed, and the oxide semiconductor film 106, the source electrode 114a, and the drain electrode 114b are formed.
A gate insulating film 108 is formed thereover (see FIG. 14B). Note that the source electrode 114a
The drain electrode 114b may be formed with reference to FIG. 3D and the description of the drawing, and the gate insulating film 108 may be formed with reference to FIG. 2D and the description of the drawing. Just do it.

なお、本実施の形態では、酸化物半導体膜106上にソース電極114aおよびドレイン
電極114bを形成した後にゲート絶縁膜108を形成するため、第1の領域106aの
形成位置は上述実施の形態とは異なっており、酸化物半導体膜106とゲート絶縁膜10
8が直接接する領域において形成される。
Note that in this embodiment, the gate insulating film 108 is formed after the source electrode 114a and the drain electrode 114b are formed over the oxide semiconductor film 106; therefore, the formation position of the first region 106a is different from that in the above embodiment. The oxide semiconductor film 106 and the gate insulating film 10 are different.
8 is formed in a region in direct contact.

次に、酸化物半導体膜106と重なる領域のゲート絶縁膜108上に、ゲート電極110
を形成する(図14(C)参照。)。なお、当該工程は、図3(B)および当該図面の説
明内容を参酌して行えばよい。
Next, the gate electrode 110 is formed over the gate insulating film 108 in a region overlapping with the oxide semiconductor film 106.
(See FIG. 14C). Note that this step may be performed in consideration of FIG. 3B and the description of the drawing.

以上の工程により、図14(C)に示すトランジスタ1350を作製することができる。
トランジスタ1350は、実施の形態1にて記載した特徴以外に、上述のように、ゲート
絶縁膜108を、加熱処理により酸素を放出する膜とした場合において、ゲート絶縁膜1
08から放出される酸素を酸化物半導体膜106に効率的に添加することができるため、
酸素欠損低減効果を高めることができる。
Through the above steps, the transistor 1350 illustrated in FIG. 14C can be manufactured.
In addition to the characteristics described in Embodiment 1, the transistor 1350 includes the gate insulating film 1 when the gate insulating film 108 is a film that releases oxygen by heat treatment as described above.
Since oxygen released from 08 can be efficiently added to the oxide semiconductor film 106,
The oxygen deficiency reducing effect can be enhanced.

(実施の形態6)
本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態5に示すトランジスタを使用し、電力が
供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導
体装置の一例を、図面を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example of a semiconductor device that uses the transistor described in any of Embodiments 1 to 5 and can store stored data even when power is not supplied and has no limit on the number of writing times. This will be described with reference to the drawings.

図15は、半導体装置の構成の一例である。図15(A)に、半導体装置の断面図を、図
15(B)に半導体装置の平面図を、図15(C)に半導体装置の回路図をそれぞれ示す
。ここで、図15(A)は、図15(B)のK−L、及びM−Nにおける断面に相当する
FIG. 15 illustrates an example of a structure of a semiconductor device. 15A is a cross-sectional view of the semiconductor device, FIG. 15B is a plan view of the semiconductor device, and FIG. 15C is a circuit diagram of the semiconductor device. Here, FIG. 15A corresponds to a cross section taken along lines KL and MN in FIG.

図15(A)及び図15(B)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたト
ランジスタ1760を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ1762を有
するものである。トランジスタ1762としては、上述の実施の形態で示すトランジスタ
の構造を適用することができる。ここでは、実施の形態4のトランジスタ1150を用い
た場合の例を記載する。
The semiconductor device illustrated in FIGS. 15A and 15B includes a transistor 1760 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 1762 using a second semiconductor material in an upper portion. . As the transistor 1762, the transistor structure described in any of the above embodiments can be used. Here, an example in which the transistor 1150 of Embodiment 4 is used will be described.

ここで、第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが
望ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコンなど)
とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を
用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジ
スタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
Here, it is desirable that the first semiconductor material and the second semiconductor material have different band gaps. For example, the first semiconductor material is a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon).
And the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor including a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor can hold charge for a long time due to its characteristics.

なお、上記トランジスタは、いずれもnチャネル型トランジスタであるものとして説明す
るが、pチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報
を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態4に示すようなトランジスタ1762
に用いる他、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的
な構成をここで示すものに限定する必要はない。
Note that although all the above transistors are described as n-channel transistors, it goes without saying that p-channel transistors can be used. In addition, a transistor 1762 as described in Embodiment 4 in which an oxide semiconductor is used for retaining information.
In addition to the above, the specific structure of the semiconductor device such as a material used for the semiconductor device and a structure of the semiconductor device is not necessarily limited to that shown here.

図15(A)におけるトランジスタ1760は、半導体材料(例えば、シリコンなど)を
含む基板1700に設けられたチャネル形成領域1716と、チャネル形成領域1716
を挟むように設けられた不純物領域1720と、不純物領域1720に接する金属間化合
物領域1724と、チャネル形成領域1716上に設けられたゲート絶縁膜1708と、
ゲート絶縁膜1708上に設けられたゲート電極1710と、を有する。なお、図におい
て、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような
状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係
を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現
することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含
まれうる。
A transistor 1760 in FIG. 15A includes a channel formation region 1716 provided in a substrate 1700 containing a semiconductor material (eg, silicon) and a channel formation region 1716.
An impurity region 1720 provided so as to sandwich the gate electrode, an intermetallic compound region 1724 in contact with the impurity region 1720, a gate insulating film 1708 provided on the channel formation region 1716,
A gate electrode 1710 provided over the gate insulating film 1708. Note that in the drawing, the source electrode and the drain electrode may not be explicitly provided, but for convenience, the state may be referred to as a transistor. In this case, in order to describe the connection relation of the transistors, the source and drain electrodes including the source and drain regions may be expressed. That is, in this specification, the term “source electrode” can include a source region.

基板1700上にはトランジスタ1760を囲むように素子分離絶縁層1706が設けら
れており、トランジスタ1760を覆うように絶縁層1728、及び絶縁層1730が設
けられている。なお、トランジスタ1760において、ゲート電極1710の側面に側壁
絶縁層(サイドウォール絶縁層)を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域17
20としてもよい。
An element isolation insulating layer 1706 is provided over the substrate 1700 so as to surround the transistor 1760, and an insulating layer 1728 and an insulating layer 1730 are provided so as to cover the transistor 1760. Note that in the transistor 1760, a sidewall insulating layer (sidewall insulating layer) is provided on a side surface of the gate electrode 1710, and the impurity region 17 includes regions having different impurity concentrations.
It may be 20.

単結晶半導体基板を用いたトランジスタ1760は、高速動作が可能である。このため、
当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高
速に行うことができる。トランジスタ1760を覆うように絶縁膜を2層形成する。トラ
ンジスタ1762および容量素子1764の形成前の処理として、2層の該絶縁膜にCM
P処理を施して、平坦化した絶縁層1728、絶縁層1730を形成し、同時にゲート電
極1710の上面を露出させる。
The transistor 1760 using a single crystal semiconductor substrate can operate at high speed. For this reason,
By using the transistor as a reading transistor, information can be read at high speed. Two insulating films are formed so as to cover the transistor 1760. As a treatment before the formation of the transistor 1762 and the capacitor 1764, CM is formed on the two insulating films.
By performing P treatment, planarized insulating layers 1728 and 1730 are formed, and the upper surface of the gate electrode 1710 is exposed at the same time.

絶縁層1728、絶縁層1730は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、
酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、
窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
絶縁層1728、絶縁層1730は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて
形成することができる。
The insulating layer 1728 and the insulating layer 1730 are typically a silicon oxide film, a silicon oxynitride film,
Aluminum oxide film, aluminum oxynitride film, silicon nitride film, aluminum nitride film,
An inorganic insulating film such as a silicon nitride oxide film or an aluminum nitride oxide film can be used.
The insulating layers 1728 and 1730 can be formed by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like.

また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いるこ
とができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)等を用いること
ができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層
1728、絶縁層1730を形成してもよい。
Alternatively, an organic material such as polyimide, acrylic resin, or benzocyclobutene resin can be used. In addition to the organic material, a low dielectric constant material (low-k material) or the like can be used. In the case of using an organic material, the insulating layer 1728 and the insulating layer 1730 may be formed by a wet method such as a spin coating method or a printing method.

なお、本実施の形態において、絶縁層1728として窒化シリコン膜、絶縁層1730と
して酸化シリコン膜を用いる。
Note that in this embodiment, a silicon nitride film is used as the insulating layer 1728, and a silicon oxide film is used as the insulating layer 1730.

絶縁層1730表面において、酸化物半導体膜1744形成領域に、平坦化処理を行うこ
とが好ましい。本実施の形態では、研磨処理(例えばCMP処理)により十分に平坦化し
た絶縁層1730(好ましくは絶縁層1730表面の平均面粗さは0.15nm以下)上
に酸化物半導体膜1744を形成する。
Planarization treatment is preferably performed on the formation region of the oxide semiconductor film 1744 over the surface of the insulating layer 1730. In this embodiment, the oxide semiconductor film 1744 is formed over the insulating layer 1730 (preferably the average surface roughness of the surface of the insulating layer 1730 is 0.15 nm or less) sufficiently planarized by polishing treatment (eg, CMP treatment). .

図15(A)に示すトランジスタ1762は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた
トランジスタである。ここで、トランジスタ1762に含まれる酸化物半導体膜1744
は、上述の実施の形態にて記載したように、水分や水素などの不純物が極力除去されて高
純度化されたものであることが望ましい。また、酸素欠損が十分に補填されたものである
ことが好ましい。このような酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトラ
ンジスタ1762を得ることができる。
A transistor 1762 illustrated in FIG. 15A is a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region. Here, the oxide semiconductor film 1744 included in the transistor 1762
As described in the above embodiment, it is preferable that impurities such as moisture and hydrogen are removed as much as possible to be highly purified. Moreover, it is preferable that oxygen deficiency is fully compensated. By using such an oxide semiconductor, a transistor 1762 with extremely excellent off characteristics can be obtained.

トランジスタ1762は、オフ電流が極めて小さいため、これを用いることにより長期に
わたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない
、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能とな
るため、消費電力を十分に低減することができる。
Since the transistor 1762 has extremely low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 1762. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.

トランジスタ1762は作製工程において、ゲート電極1748、絶縁膜1737、及び
側壁絶縁膜1736aおよび側壁絶縁膜1736b上に設けられた導電膜を化学機械研磨
処理により除去する工程を用いて、ソース電極及びドレイン電極として機能する電極膜1
742aおよび電極膜1742bを形成する。
In the manufacturing process of the transistor 1762, the gate electrode 1748, the insulating film 1737, and the conductive film provided over the sidewall insulating film 1736 a and the sidewall insulating film 1736 b are removed by a chemical mechanical polishing process. Electrode film 1 that functions as
742a and an electrode film 1742b are formed.

よって、トランジスタ1762は、Loff幅を小さくすることができるため、トランジ
スタ1762のオン特性を向上させることが可能となる。
Therefore, the Loff width of the transistor 1762 can be reduced, so that the on-state characteristics of the transistor 1762 can be improved.

電極膜1742aおよび電極膜1742bの形成工程におけるゲート電極1748上の導
電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、
精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や
特性のばらつきを少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することが
できる。
In the process of removing the conductive film over the gate electrode 1748 in the formation process of the electrode film 1742a and the electrode film 1742b, an etching process using a resist mask is not used.
Precise machining can be performed accurately. Thus, in a manufacturing process of a semiconductor device, a transistor having a fine structure with little variation in shape and characteristics can be manufactured with high yield.

トランジスタ1762上には、層間絶縁膜1735、絶縁膜1750が単層または積層で
設けられている。本実施の形態では、絶縁膜1750として、酸化アルミニウム膜を用い
る。酸化アルミニウム膜を高密度(膜密度3.2g/cm以上、好ましくは3.6g/
cm以上)とすることによって、トランジスタ1762に安定な電気特性を付与するこ
とができる。
Over the transistor 1762, an interlayer insulating film 1735 and an insulating film 1750 are provided as a single layer or a stacked layer. In this embodiment, an aluminum oxide film is used as the insulating film 1750. High density aluminum oxide film (film density of 3.2 g / cm 3 or more, preferably 3.6 g / cm
When the thickness is greater than or equal to cm 3 , stable electric characteristics can be imparted to the transistor 1762.

また、層間絶縁膜1735及び絶縁膜1750を介して、トランジスタ1762の電極膜
1742aと重畳する領域には、導電層1753が設けられており、電極膜1742aと
、層間絶縁膜1735と、絶縁膜1750と、導電層1753とによって、容量素子17
64が構成される。すなわち、トランジスタ1762の電極膜1742aは、容量素子1
764の一方の電極として機能し、導電層1753は、容量素子1764の他方の電極と
して機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子1764を設けない構成とするこ
ともできる。また、容量素子1764は、別途、トランジスタ1762の上方に設けても
よい。
In addition, a conductive layer 1753 is provided in a region overlapping with the electrode film 1742a of the transistor 1762 with the interlayer insulating film 1735 and the insulating film 1750 interposed therebetween. The electrode film 1742a, the interlayer insulating film 1735, and the insulating film 1750 are provided. And the conductive layer 1753, the capacitive element 17
64 is configured. In other words, the electrode film 1742 a of the transistor 1762
The conductive layer 1753 functions as the other electrode of the capacitor 1764. Note that in the case where a capacitor is not necessary, the capacitor 1764 can be omitted. Further, the capacitor 1764 may be provided over the transistor 1762 separately.

トランジスタ1762および容量素子1764の上には絶縁膜1752が設けられている
。そして、絶縁膜1752上にはトランジスタ1762と、他のトランジスタを接続する
ための配線1756が設けられている。図15(A)には図示しないが、配線1756は
、層間絶縁膜1735、絶縁膜1750および絶縁膜1752などに形成された開口に形
成された電極を通して電極膜1742bと電気的に接続される。ここで、該電極は、少な
くともトランジスタ1762の酸化物半導体膜1744の一部と重畳するように設けられ
ることが好ましい。
An insulating film 1752 is provided over the transistor 1762 and the capacitor 1764. Over the insulating film 1752, a transistor 1762 and a wiring 1756 for connecting another transistor are provided. Although not illustrated in FIG. 15A, the wiring 1756 is electrically connected to the electrode film 1742b through an electrode formed in an opening formed in the interlayer insulating film 1735, the insulating film 1750, the insulating film 1752, and the like. Here, the electrode is preferably provided so as to overlap with at least part of the oxide semiconductor film 1744 of the transistor 1762.

図15(A)及び図15(B)において、トランジスタ1760と、トランジスタ176
2とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ1760のソー
ス領域またはドレイン領域と酸化物半導体膜1744の一部が重畳するように設けられて
いるのが好ましい。また、トランジスタ1762及び容量素子1764が、トランジスタ
1760の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子1764
の導電層1753は、トランジスタ1760のゲート電極1710と少なくとも一部が重
畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の
占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
In FIGS. 15A and 15B, the transistor 1760 and the transistor 176
2 is provided so that at least part thereof overlaps with each other, and preferably, the source or drain region of the transistor 1760 and part of the oxide semiconductor film 1744 overlap with each other. Further, the transistor 1762 and the capacitor 1764 are provided so as to overlap with at least part of the transistor 1760. For example, the capacitive element 1764
The conductive layer 1753 is provided so as to overlap with at least part of the gate electrode 1710 of the transistor 1760. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

なお、電極膜1742b及び配線1756の電気的接続は、電極膜1742b及び配線1
756を直接接触させて行ってもよいし、電極膜1742b及び配線1756の間の絶縁
膜に電極を設けて、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよ
い。
Note that the electrical connection between the electrode film 1742 b and the wiring 1756 is the same as that of the electrode film 1742 b and the wiring 1.
Alternatively, 756 may be directly contacted, or an electrode may be provided on an insulating film between the electrode film 1742b and the wiring 1756 and the electrode may be interposed therebetween. A plurality of electrodes may be interposed therebetween.

次に、図15(A)及び図15(B)に対応する回路構成の一例を図15(C)に示す。 Next, an example of a circuit configuration corresponding to FIGS. 15A and 15B is illustrated in FIG.

図15(C)において、第1の配線(1st Line)とトランジスタ1760のソー
ス電極とは、電気的に接続され、第2の配線(2nd Line)とトランジスタ176
0のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第3の配線(3rd Line
)とトランジスタ1762のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続さ
れ、第4の配線(4th Line)と、トランジスタ1762のゲート電極とは、電気
的に接続されている。そして、トランジスタ1760のゲート電極と、トランジスタ17
62のソース電極またはドレイン電極の一方は、容量素子1764の電極の他方と電気的
に接続され、第5の配線(5th Line)と、容量素子1764の電極の一方は電気
的に接続されている。
In FIG. 15C, the first wiring (1st Line) and the source electrode of the transistor 1760 are electrically connected, and the second wiring (2nd Line) and the transistor 176 are electrically connected.
The 0 drain electrode is electrically connected. In addition, the third wiring (3rd Line
) And one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 1762 are electrically connected, and the fourth wiring (4th Line) and the gate electrode of the transistor 1762 are electrically connected. The gate electrode of the transistor 1760 and the transistor 17
One of the source electrode and the drain electrode 62 is electrically connected to the other electrode of the capacitor 1764, and the fifth wiring (5th Line) and one of the electrodes of the capacitor 1764 are electrically connected. .

図15(C)に示す半導体装置では、トランジスタ1760のゲート電極の電位が保持可
能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 15C, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 1760 can be held.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線の電位を、トランジスタ
1762がオン状態となる電位にして、トランジスタ1762をオン状態とする。これに
より、第3の配線の電位が、トランジスタ1760のゲート電極、および容量素子176
4に与えられる。すなわち、トランジスタ1760のゲート電極には、所定の電荷が与え
られる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベ
ル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4
の配線の電位を、トランジスタ1762がオフ状態となる電位にして、トランジスタ17
62をオフ状態とすることにより、トランジスタ1760のゲート電極に与えられた電荷
が保持される(保持)。
Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring is set to a potential at which the transistor 1762 is turned on, so that the transistor 1762 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring is set to the gate electrode of the transistor 1760 and the capacitor 176.
4 is given. That is, predetermined charge is supplied to the gate electrode of the transistor 1760 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. Then the fourth
The potential of the wiring of the transistor 1762 is set to a potential at which the transistor 1762 is turned off.
When 62 is turned off, the charge given to the gate electrode of the transistor 1760 is held (held).

トランジスタ1762のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ1760のゲート電
極の電荷は長時間にわたって保持される。
Since the off-state current of the transistor 1762 is extremely small, the charge of the gate electrode of the transistor 1760 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線に所定の電位(定電位)を与えた状態
で、第5の配線に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ1760のゲー
ト電極に保持された電荷量に応じて、第2の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジ
スタ1760をnチャネル型とすると、トランジスタ1760のゲート電極にHighレ
ベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ1760
のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_L
り低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ1760を「
オン状態」とするために必要な第5の配線の電位をいうものとする。したがって、第5の
配線の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、トランジスタ1
760のゲート電極に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Hig
hレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線の電位がV(>Vth_H)とな
れば、トランジスタ1760は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた
場合には、第5の配線の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ1760
は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線の電位を見ることで、保持されてい
る情報を読み出すことができる。
Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (read potential) is applied to the fifth wiring in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring, the first wiring is changed according to the amount of charge held in the gate electrode of the transistor 1760. The two wirings have different potentials. In general, when the transistor 1760 is an n-channel transistor, the apparent threshold value V th_H in the case where a high-level charge is applied to the gate electrode of the transistor 1760 is
This is because the gate electrode becomes lower than the apparent threshold value Vth_L when a low level charge is applied to the gate electrode. Here, the apparent threshold voltage means that the transistor 1760 is “
It means the potential of the fifth wiring which is necessary to make it “on”. Accordingly, the potential of the fifth wiring is set to the potential V 0 between V th_H and V th_L , whereby the transistor 1
The charge applied to the gate electrode 760 can be discriminated. For example, in writing, High
In the case where the h-level charge is supplied , the transistor 1760 is turned “on” if the potential of the fifth wiring is V 0 (> V th — H ). In the case where a low-level charge is supplied , the transistor 1760 is supplied even if the potential of the fifth wiring is V 0 (<V th_L ).
Remains in the “off state”. Therefore, the held information can be read by looking at the potential of the second wiring.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み
出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態に
かかわらずトランジスタ1760が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_H
より小さい電位を第5の配線に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずト
ランジスタ1760が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電
位を第5の配線に与えればよい。
Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, a potential at which the transistor 1760 is turned “off” regardless of the state of the gate electrode, that is, V th — H
A smaller potential may be supplied to the fifth wiring. Alternatively , a potential that turns on the transistor 1760 regardless of the state of the gate electrode, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the fifth wiring.

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流
の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持する
ことが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動
作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができ
る。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であ
っても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素
子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲート
への電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、
ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体
装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信
頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の
書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
In addition, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, there is no need to inject electrons into the floating gate or withdraw electrons from the floating gate unlike conventional nonvolatile memories.
There is no problem of deterioration of the gate insulating film. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.

以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装
置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
As described above, a semiconductor device which is miniaturized and highly integrated and has high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態7)
本実施の形態においては、実施の形態1乃至実施の形態5に示すトランジスタを使用し、
電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無
い半導体装置について、実施の形態6に示した構成と異なる構成について、図16及び図
17を用いて説明を行う。
(Embodiment 7)
In this embodiment, the transistor described in any of Embodiments 1 to 5 is used,
A structure different from the structure described in Embodiment 6 is described with reference to FIGS. 16 and 17 for a semiconductor device which can retain stored contents even when power is not supplied and has no limitation on the number of writing operations. Do.

図16(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図16(B)は半導体装置の一例
を示す概念図である。まず、図16(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて
図16(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。
FIG. 16A illustrates an example of a circuit configuration of a semiconductor device, and FIG. 16B is a conceptual diagram illustrating an example of a semiconductor device. First, the semiconductor device illustrated in FIG. 16A will be described, and then the semiconductor device illustrated in FIG. 16B will be described below.

図16(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ1762のソース
電極又はドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ1762のゲ
ート電極とは電気的に接続され、トランジスタ1762のソース電極又はドレイン電極と
容量素子1764の第1の端子とは電気的に接続されている。
In the semiconductor device illustrated in FIG. 16A, the bit line BL and the source electrode or the drain electrode of the transistor 1762 are electrically connected, and the word line WL and the gate electrode of the transistor 1762 are electrically connected. The source electrode or drain electrode of the capacitor and the first terminal of the capacitor 1764 are electrically connected.

次に、図16(A)に示す半導体装置(メモリセル1850)に、情報の書き込みおよび
保持を行う場合について説明する。
Next, the case where data is written to and retained in the semiconductor device (memory cell 1850) illustrated in FIG.

まず、ワード線WLの電位を、トランジスタ1762がオン状態となる電位として、トラ
ンジスタ1762をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子17
64の第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジ
スタ1762がオフ状態となる電位として、トランジスタ1762をオフ状態とすること
により、容量素子1764の第1の端子の電位が保持される(保持)。
First, the potential of the word line WL is set to a potential at which the transistor 1762 is turned on, so that the transistor 1762 is turned on. As a result, the potential of the bit line BL is changed to the capacitive element 17.
64 is supplied to the first terminal (writing). After that, the potential of the first terminal of the capacitor 1764 is held (held) by setting the potential of the word line WL to a potential at which the transistor 1762 is turned off and the transistor 1762 being turned off.

酸化物半導体を用いたトランジスタ1762は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有
している。このため、トランジスタ1762をオフ状態とすることで、容量素子1764
の第1の端子の電位(あるいは、容量素子1764に蓄積された電荷)を極めて長時間に
わたって保持することが可能である。
A transistor 1762 including an oxide semiconductor has a feature of extremely low off-state current. Therefore, the capacitor 1764 is turned off, so that the capacitor 1764
The potential of the first terminal (or the charge accumulated in the capacitor 1764) can be held for an extremely long time.

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ1762がオン状態となると、浮
遊状態であるビット線BLと容量素子1764とが導通し、ビット線BLと容量素子17
64の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線B
Lの電位の変化量は、容量素子1764の第1の端子の電位(あるいは容量素子1764
に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。
Next, reading of information will be described. When the transistor 1762 is turned on, the bit line BL in a floating state and the capacitor 1764 are brought into conduction, and the bit line BL and the capacitor 17 are connected.
The charge is redistributed between 64. As a result, the potential of the bit line BL changes. Bit line B
The amount of change in the potential of L depends on the potential of the first terminal of the capacitor 1764 (or the capacitor 1764).
It takes different values depending on the electric charge accumulated in).

例えば、容量素子1764の第1の端子の電位をV、容量素子1764の容量をC、ビッ
ト線BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される
前のビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位
は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル1850の状
態として、容量素子1764の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状
態をとるとすると、電位V1を保持している場合のビット線BLの電位(=CB×VB0
+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BLの電位(
=CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。
For example, the potential of the first terminal of the capacitor 1764 is V, the capacitor of the capacitor 1764 is C, the capacitor component of the bit line BL (hereinafter also referred to as bit line capacitor) is CB, and before the charge is redistributed. When the potential of the bit line BL is VB0, the potential of the bit line BL after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, if the potential of the first terminal of the capacitor 1764 is two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell 1850, the bit line BL in the case where the potential V1 is held. Potential (= CB × VB0
+ C × V1) / (CB + C)) is the potential of the bit line BL when the potential V0 is held (
= CB * VB0 + C * V0) / (CB + C)).

そして、ビット線BLの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができ
る。
Then, information can be read by comparing the potential of the bit line BL with a predetermined potential.

このように、図16(A)に示す半導体装置は、トランジスタ1762のオフ電流が極め
て小さいという特徴から、容量素子1764に蓄積された電荷は長時間にわたって保持す
ることができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作
の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる
。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可
能である。
As described above, the semiconductor device illustrated in FIG. 16A can hold charge that is accumulated in the capacitor 1764 for a long time because the off-state current of the transistor 1762 is extremely small. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. Further, stored data can be retained for a long time even when power is not supplied.

次に、図16(B)に示す半導体装置について、説明を行う。 Next, the semiconductor device illustrated in FIG. 16B is described.

図16(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図16(A)に示したメモリセ
ル1850を複数有するメモリセルアレイ1851a及び1851bを有し、下部に、メ
モリセルアレイ1851(メモリセルアレイ1851a及び1851b)を動作させるた
めに必要な周辺回路1853を有する。なお、周辺回路1853は、メモリセルアレイ1
851と電気的に接続されている。
A semiconductor device illustrated in FIG. 16B includes memory cell arrays 1851a and 1851b each including a plurality of memory cells 1850 illustrated in FIG. 16A as memory circuits in an upper portion, and a memory cell array 1851 (memory cell arrays 1851a and 1851a and lower) in a lower portion. The peripheral circuit 1853 necessary for operating 1851b) is included. Note that the peripheral circuit 1853 includes the memory cell array 1.
851 is electrically connected.

図16(B)に示した構成とすることにより、周辺回路1853をメモリセルアレイ18
51(メモリセルアレイ1851a及び1851b)の直下に設けることができるため半
導体装置の小型化を図ることができる。
With the structure shown in FIG. 16B, the peripheral circuit 1853 is replaced with the memory cell array 18.
51 (memory cell arrays 1851a and 1851b) can be provided directly below, so that the semiconductor device can be downsized.

周辺回路1853に設けられるトランジスタは、実施の形態6のトランジスタ1762と
は異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリ
コンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半
導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半
導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、該トラン
ジスタにより、高速動作が要求される各種回路(論理回路、駆動回路など)を好適に実現
することが可能である。
The transistor provided in the peripheral circuit 1853 is preferably formed using a semiconductor material different from that of the transistor 1762 in Embodiment 6. For example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, or the like can be used, and a single crystal semiconductor is preferably used. In addition, an organic semiconductor material or the like may be used. A transistor using such a semiconductor material can operate at a sufficiently high speed. Therefore, various transistors (logic circuits, drive circuits, etc.) that require high-speed operation can be suitably realized by the transistors.

なお、図16(B)に示した半導体装置では、2つのメモリセルアレイ1851(メモリ
セルアレイ1851aと、メモリセルアレイ1851b)が積層された構成を例示したが
、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルを積層する構成
としても良い。
Note that the semiconductor device illustrated in FIG. 16B illustrates a structure in which two memory cell arrays 1851 (a memory cell array 1851a and a memory cell array 1851b) are stacked; however, the number of stacked memory cells is not limited thereto. . A configuration in which three or more memory cells are stacked may be employed.

次に、図16(A)に示したメモリセル1850の具体的な構成について図17を用いて
説明を行う。
Next, a specific structure of the memory cell 1850 illustrated in FIG. 16A will be described with reference to FIGS.

図17は、メモリセル1850の構成の一例である。図17(A)に、メモリセル185
0の断面図を、図17(B)にメモリセル1850の平面図をそれぞれ示す。ここで、図
17(A)は、図17(B)のO−P、及びQ−Rにおける断面に相当する。
FIG. 17 shows an example of the structure of the memory cell 1850. FIG. 17A shows a memory cell 185.
A cross-sectional view of 0 is shown, and a plan view of the memory cell 1850 is shown in FIG. Here, FIG. 17A corresponds to a cross section taken along OP and QR in FIG.

図17(A)及び図17(B)に示すトランジスタ1762は、実施の形態1乃至実施の
形態4で示した構成と同一の構成とすることができる。
The transistor 1762 illustrated in FIGS. 17A and 17B can have the same structure as that described in Embodiments 1 to 4.

トランジスタ1762上には、絶縁膜1750が単層または積層で設けられている。また
、絶縁膜1750を介して、トランジスタ1762の電極膜1742aと重畳する領域に
は、導電層1753が設けられており、電極膜1742aと、層間絶縁膜1735と、絶
縁膜1750と、導電層1753とによって、容量素子1764が構成される。すなわち
、トランジスタ1762の電極膜1742aは、容量素子1764の一方の電極として機
能し、導電層1753は、容量素子1764の他方の電極として機能する。
An insulating film 1750 is provided as a single layer or a stacked layer over the transistor 1762. A conductive layer 1753 is provided in a region overlapping with the electrode film 1742 a of the transistor 1762 with the insulating film 1750 provided therebetween. The electrode film 1742 a, the interlayer insulating film 1735, the insulating film 1750, and the conductive layer 1753 Thus, a capacitive element 1764 is formed. In other words, the electrode film 1742a of the transistor 1762 functions as one electrode of the capacitor 1764, and the conductive layer 1753 functions as the other electrode of the capacitor 1764.

トランジスタ1762および容量素子1764の上には絶縁膜1752が設けられている
。そして、絶縁膜1752上にはメモリセル1850と、隣接するメモリセル1850を
接続するための配線1756が設けられている。図示しないが、配線1756は、絶縁膜
1750、絶縁膜1752および層間絶縁膜1735などに形成された開口を介してトラ
ンジスタ1762の電極膜1742bと電気的に接続されている。但し、開口に他の導電
層を設け、該他の導電層を介して、配線1756と電極膜1742bとを電気的に接続し
てもよい。なお、配線1756は、図16(A)の回路図におけるビット線BLに相当す
る。
An insulating film 1752 is provided over the transistor 1762 and the capacitor 1764. A memory cell 1850 and a wiring 1756 for connecting the adjacent memory cell 1850 are provided over the insulating film 1752. Although not illustrated, the wiring 1756 is electrically connected to the electrode film 1742b of the transistor 1762 through an opening formed in the insulating film 1750, the insulating film 1752, the interlayer insulating film 1735, and the like. However, another conductive layer may be provided in the opening, and the wiring 1756 and the electrode film 1742b may be electrically connected through the other conductive layer. Note that the wiring 1756 corresponds to the bit line BL in the circuit diagram of FIG.

図17(A)及び図17(B)において、トランジスタ1762の電極膜1742bは、
隣接するメモリセルに含まれるトランジスタのソース電極としても機能することができる
。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図る
ことができるため、高集積化を図ることができる。
In FIGS. 17A and 17B, an electrode film 1742b of the transistor 1762 is
It can also function as a source electrode of a transistor included in an adjacent memory cell. By adopting such a planar layout, the occupation area of the semiconductor device can be reduced, and thus high integration can be achieved.

図17(A)に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減
を図ることができるため、高集積化を図ることができる。
By adopting the planar layout shown in FIG. 17A, the area occupied by the semiconductor device can be reduced, so that high integration can be achieved.

以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタにより形成されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さ
いため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つ
まり、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分
に低減することができる。
As described above, the plurality of memory cells formed in multiple layers in the upper portion are formed using transistors including an oxide semiconductor. Since a transistor including an oxide semiconductor has a small off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor. That is, the frequency of the refresh operation can be made extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced.

このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ(換言すると、十分な高速動
作が可能なトランジスタ)を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ(よ
り広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ)を用いた記憶回路とを一体に備える
ことで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回
路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。
As described above, a peripheral circuit using a transistor using a material other than an oxide semiconductor (in other words, a transistor capable of sufficiently high-speed operation) and a transistor using an oxide semiconductor (in a broader sense, sufficiently off) By integrally including a memory circuit using a transistor having a small current, a semiconductor device having characteristics that have never been achieved can be realized. Further, the peripheral circuit and the memory circuit have a stacked structure, whereby the semiconductor device can be integrated.

以上のように、微細化及び高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装
置、及び該半導体装置の作製方法を提供することができる。
As described above, a semiconductor device which is miniaturized and highly integrated and has high electrical characteristics, and a method for manufacturing the semiconductor device can be provided.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能
である。
This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments.

(実施の形態8)
本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電
子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図18乃至図21を用いて説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is applied to a portable device such as a mobile phone, a smartphone, or an e-book reader will be described with reference to FIGS.

携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶
などにSRAMまたはDRAMが使用されている。SRAMまたはDRAMが使用される
理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。
一方で、SRAMまたはDRAMを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴があ
る。
In portable devices such as mobile phones, smartphones, and electronic books, SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data. The reason why SRAM or DRAM is used is that the flash memory has a slow response and is not suitable for image processing.
On the other hand, when SRAM or DRAM is used for temporary storage of image data, it has the following characteristics.

通常のSRAMは、図18(A)に示すように1つのメモリセルがトランジスタ2001
乃至トランジスタ2006の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー
2007、Yデコーダー2008にて駆動している。トランジスタ2003とトランジス
タ2005、トランジスタ2004とトランジスタ2006はインバータを構成し、高速
駆動を可能としている。しかし1つのメモリセルが6トランジスタで構成されているため
、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSR
AMのメモリセル面積は通常、100〜150Fである。このためSRAMはビットあ
たりの単価が各種メモリの中で最も高い。
In an ordinary SRAM, as shown in FIG.
Or six transistors of a transistor 2006, which are driven by an X decoder 2007 and a Y decoder 2008. The transistors 2003 and 2005 and the transistors 2004 and 2006 constitute an inverter and can be driven at high speed. However, since one memory cell is composed of 6 transistors, there is a disadvantage that the cell area is large. SR, where F is the minimum design rule dimension
The memory cell area of the AM is usually a 100~150F 2. For this reason, SRAM has the highest unit price per bit among various memories.

それに対して、DRAMはメモリセルが図18(B)に示すようにトランジスタ2011
、保持容量2012によって構成され、それをXデコーダー2013、Yデコーダー20
14にて駆動している。1つのセルが1つのトランジスタと1つの容量の構成になってお
り、面積が小さい。DRAMのメモリセル面積は通常、10F以下である。ただし、D
RAMは常にリフレッシュが必要であり、書き換えをおこなわない場合でも電力を消費す
る。
On the other hand, in the DRAM, the memory cell has a transistor 2011 as shown in FIG.
, A storage capacitor 2012, which includes an X decoder 2013 and a Y decoder 20
14 is driven. One cell has one transistor and one capacitor, and has a small area. The memory cell area of DRAM is usually 10F 2 or less. However, D
The RAM always needs refreshing and consumes power even when rewriting is not performed.

しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、10F前後であり
、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ
消費電力が低減することができる。
However, the memory cell area of the semiconductor device described in the above embodiment is around 10F 2 and frequent refreshing is not necessary. Therefore, the memory cell area can be reduced and the power consumption can be reduced.

図19に携帯機器のブロック図を示す。図19に示す携帯機器はRF回路2101、アナ
ログベースバンド回路2102、デジタルベースバンド回路2103、バッテリー210
4、電源回路2105、アプリケーションプロセッサ2106、フラッシュメモリ211
0、ディスプレイコントローラ2111、メモリ回路2112、ディスプレイ2113、
タッチセンサ2119、音声回路2117、キーボード2118などより構成されている
。ディスプレイ2113は表示部2114、ソースドライバ2115、ゲートドライバ2
116によって構成されている。アプリケーションプロセッサ2106はCPU2107
、DSP2108、インターフェイス2109(IFとも記載する。)を有している。一
般にメモリ回路2112はSRAMまたはDRAMで構成されており、この部分に先の実
施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出し
が高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
FIG. 19 shows a block diagram of a portable device. 19 includes an RF circuit 2101, an analog baseband circuit 2102, a digital baseband circuit 2103, and a battery 210.
4, power supply circuit 2105, application processor 2106, flash memory 211
0, display controller 2111, memory circuit 2112, display 2113,
A touch sensor 2119, an audio circuit 2117, a keyboard 2118, and the like are included. A display 2113 includes a display unit 2114, a source driver 2115, and a gate driver 2.
116. The application processor 2106 is a CPU 2107.
, DSP 2108, and interface 2109 (also referred to as IF). In general, the memory circuit 2112 is configured by SRAM or DRAM, and by adopting the semiconductor device described in the above embodiment for this portion, writing and reading of information can be performed at high speed and long-term storage can be performed. In addition, power consumption can be sufficiently reduced.

図20に、ディスプレイのメモリ回路2250に先の実施の形態で説明した半導体装置を
使用した例を示す。図20に示すメモリ回路2250は、メモリ2252、メモリ225
3、スイッチ2254、スイッチ2255およびメモリコントローラ2251により構成
されている。また、メモリ回路は、信号線から入力された画像データ(入力画像データ)
、メモリ2252、及びメモリ2253に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出
し、及び制御を行うディスプレイコントローラ2256と、ディスプレイコントローラ2
256からの信号により表示するディスプレイ2257が接続されている。
FIG. 20 shows an example in which the semiconductor device described in any of the above embodiments is used for the memory circuit 2250 of the display. A memory circuit 2250 illustrated in FIG. 20 includes a memory 2252 and a memory 225.
3, a switch 2254, a switch 2255, and a memory controller 2251. The memory circuit also has image data (input image data) input from a signal line.
, Memory 2252, and display controller 2256 that reads and controls data (stored image data) stored in memory 2253, and display controller 2
A display 2257 that displays in response to a signal from 256 is connected.

まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ(図示しない)によって、形成され
る(入力画像データA)。入力画像データAは、スイッチ2254を介してメモリ225
2に記憶される。そしてメモリ2252に記憶された画像データ(記憶画像データA)は
、スイッチ2255、及びディスプレイコントローラ2256を介してディスプレイ22
57に送られ、表示される。
First, certain image data is formed by an application processor (not shown) (input image data A). The input image data A is stored in the memory 225 via the switch 2254.
2 is stored. The image data (stored image data A) stored in the memory 2252 is displayed on the display 22 via the switch 2255 and the display controller 2256.
Sent to 57 and displayed.

入力画像データAに変更が無い場合、記憶画像データAは通常、30〜60Hz程度の周
期でメモリ2252からスイッチ2255を介して、ディスプレイコントローラ2256
から読み出される。
When there is no change in the input image data A, the stored image data A is normally stored in the display controller 2256 from the memory 2252 via the switch 2255 at a cycle of about 30 to 60 Hz.
Read from.

次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき(すなわち、入力画像データA
に変更が有る場合)、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ(入力画像データ
B)を形成する。入力画像データBはスイッチ2254を介してメモリ2253に記憶さ
れる。この間も定期的にメモリ2252からスイッチ2255を介して記憶画像データA
は読み出されている。メモリ2253に新たな画像データ(記憶画像データB)が記憶し
終わると、ディスプレイ2257の次のフレームより、記憶画像データBは読み出され、
スイッチ2255、及びディスプレイコントローラ2256を介して、ディスプレイ22
57に記憶画像データBが送られ、表示がおこなわれる。この読み出しはさらに次に新た
な画像データがメモリ2252に記憶されるまで継続される。
Next, for example, when the user performs an operation of rewriting the screen (that is, the input image data A
The application processor forms new image data (input image data B). The input image data B is stored in the memory 2253 via the switch 2254. During this time, the stored image data A is periodically sent from the memory 2252 via the switch 2255.
Has been read. When new image data (stored image data B) is stored in the memory 2253, the stored image data B is read from the next frame of the display 2257,
Via the switch 2255 and the display controller 2256, the display 22
The stored image data B is sent to 57 and displayed. This reading is continued until new image data is stored in the memory 2252 next time.

このようにメモリ2252及びメモリ2253は交互に画像データの書き込みと、画像デ
ータの読み出しを行うことによって、ディスプレイ2257の表示をおこなう。なお、メ
モリ2252及びメモリ2253はそれぞれ別のメモリには限定されず、1つのメモリを
分割して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ2252及びメ
モリ2253に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間
の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
In this manner, the memory 2252 and the memory 2253 display the display 2257 by alternately writing image data and reading image data. Note that the memory 2252 and the memory 2253 are not limited to different memories, and one memory may be divided and used. By employing the semiconductor device described in any of the above embodiments for the memory 2252 and the memory 2253, information can be written and read at high speed, data can be stored for a long time, and power consumption can be sufficiently reduced. it can.

図21に電子書籍のブロック図を示す。図21はバッテリー2301、電源回路2302
、マイクロプロセッサ2303、フラッシュメモリ2304、音声回路2305、キーボ
ード2306、メモリ回路2307、タッチパネル2308、ディスプレイ2309、デ
ィスプレイコントローラ2310によって構成される。
FIG. 21 shows a block diagram of an electronic book. FIG. 21 shows a battery 2301 and a power supply circuit 2302.
, A microprocessor 2303, a flash memory 2304, an audio circuit 2305, a keyboard 2306, a memory circuit 2307, a touch panel 2308, a display 2309, and a display controller 2310.

ここでは、図21のメモリ回路2307に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用す
ることができる。メモリ回路2307の役割は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ
。機能の例としては、ユーザーがハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが
電子書籍を読んでいるときに、特定の箇所にマーキングをしたい場合がある。このマーキ
ング機能をハイライト機能と言い、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太
くする、文字の書体を変えるなどによって、周囲との違いを示すことである。ユーザーが
指定した箇所の情報を記憶し、保持する機能である。この情報を長期に保存する場合には
フラッシュメモリ2304にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の
形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高
速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。
Here, the semiconductor device described in any of the above embodiments can be used for the memory circuit 2307 in FIG. The role of the memory circuit 2307 has a function of temporarily holding the contents of a book. An example of a function is when a user uses a highlight function. When a user is reading an electronic book, the user may want to mark a specific part. This marking function is called a highlight function, and is to show the difference from the surroundings by changing the display color, underlining, making the character thicker, or changing the font of the character. This is a function for storing and holding information on a location designated by the user. If this information is stored for a long time, it may be copied to the flash memory 2304. Even in such a case, by adopting the semiconductor device described in the above embodiment, writing and reading of information can be performed at high speed, long-term storage can be performed, and power consumption can be sufficiently reduced. Can do.

以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭
載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力
を低減した携帯機器が実現される。
As described above, the portable device described in this embodiment includes the semiconductor device according to any of the above embodiments. This realizes a portable device that can read data at high speed, can store data for a long period of time, and has low power consumption.

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態9)
本明細書等に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器(遊技機も含む)に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置(テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう)、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ等のカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機(携帯電話、携帯電話装置ともい
う)、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機な
どが挙げられる。上記実施の形態で説明した液晶表示装置を具備する電子機器の例につい
て説明する。
(Embodiment 9)
The semiconductor device disclosed in this specification and the like can be applied to a variety of electronic devices (including game machines). Examples of the electronic device include a television device (also referred to as a television or a television receiver), a monitor for a computer, a camera such as a digital camera or a digital video camera, a digital photo frame, a mobile phone (a mobile phone or a mobile phone). Large-sized game machines such as portable game machines, portable information terminals, sound reproduction apparatuses, and pachinko machines. Examples of electronic devices each including the liquid crystal display device described in the above embodiment will be described.

図22(A)は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体2501、筐体250
2、表示部2503、キーボード2504などによって構成されている。上述の実施の形
態で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピ
ュータとすることができる。
FIG. 22A illustrates a laptop personal computer, which includes a main body 2501 and a housing 250.
2, a display unit 2503, a keyboard 2504, and the like. By applying the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable laptop personal computer can be obtained.

図22(B)は、携帯情報端末(PDA)であり、本体2511には表示部2513と、
外部インターフェイス2515と、操作ボタン2514等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス2512がある。上述の実施の形態で示した半導体装置を適用
することにより、信頼性の高い携帯情報端末(PDA)とすることができる。
FIG. 22B illustrates a personal digital assistant (PDA). A main body 2511 includes a display portion 2513,
An external interface 2515, operation buttons 2514, and the like are provided. There is a stylus 2512 as an accessory for operation. By applying the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable personal digital assistant (PDA) can be obtained.

図22(C)は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍2520は、筐体25
21および筐体2523の2つの筐体で構成されている。筐体2521および筐体252
3は、軸部2522により一体とされており、該軸部2522を軸として開閉動作を行う
ことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
FIG. 22C illustrates an example of an electronic book. For example, the electronic book 2520 includes a housing 25.
21 and a housing 2523. A housing 2521 and a housing 252
3 is integrated with a shaft portion 2522 and can be opened and closed with the shaft portion 2522 as an axis. With such a configuration, an operation like a paper book can be performed.

筐体2521には表示部2525が組み込まれ、筐体2523には表示部2527が組み
込まれている。表示部2525および表示部2527は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部(図22(C)では表示部2525)に文章を表示し、左側の
表示部(図22(C)では表示部2527)に画像を表示することができる。上述の実施
の形態で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高い電子書籍2520とする
ことができる。
A display portion 2525 is incorporated in the housing 2521 and a display portion 2527 is incorporated in the housing 2523. The display unit 2525 and the display unit 2527 may be configured to display a continued screen or may be configured to display different screens. By adopting a configuration in which different screens are displayed, for example, a sentence is displayed on the right display unit (display unit 2525 in FIG. 22C) and an image is displayed on the left display unit (display unit 2527 in FIG. 22C). Can be displayed. By applying the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable electronic book 2520 can be obtained.

また、図22(C)では、筐体2521に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体2521において、電源2526、操作キー2528、スピーカー2529などを備
えている。操作キー2528により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子(イヤホン端子、USB端子など)、記録媒体挿入部など
を備える構成としてもよい。さらに、電子書籍2520は、電子辞書としての機能を持た
せた構成としてもよい。
FIG. 22C illustrates an example in which the housing 2521 is provided with an operation portion and the like. For example,
A housing 2521 is provided with a power source 2526, operation keys 2528, a speaker 2529, and the like. Pages can be sent with the operation keys 2528. Note that a keyboard, a pointing device, or the like may be provided on the same surface as the display portion of the housing. In addition, an external connection terminal (such as an earphone terminal or a USB terminal), a recording medium insertion portion, or the like may be provided on the rear surface or side surface of the housing. Further, the electronic book 2520 may have a structure having a function as an electronic dictionary.

また、電子書籍2520は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
Further, the e-book reader 2520 may have a configuration capable of transmitting and receiving information wirelessly. By radio
It is also possible to purchase desired book data from an electronic book server and download it.

図22(D)は、スマートフォンであり、筐体2530と、ボタン2531と、マイクロ
フォン2532と、タッチパネルを備えた表示部2533と、スピーカー2534と、カ
メラ用レンズ2535と、を具備し、携帯型電話機としての機能を有する。上述の実施の
形態で示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いスマートフォンとすること
ができる。
FIG. 22D illustrates a smartphone, which includes a housing 2530, buttons 2531, a microphone 2532, a display portion 2533 including a touch panel, a speaker 2534, and a camera lens 2535, and is a portable phone. As a function. By applying the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable smartphone can be obtained.

表示部2533は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示部2533
と同一面上にカメラ用レンズ2535を備えているため、テレビ電話が可能である。スピ
ーカー2534及びマイクロフォン2532は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再
生などが可能である。
In the display portion 2533, the display direction can be appropriately changed depending on a usage pattern. In addition, the display portion 2533
Since the camera lens 2535 is provided on the same plane, a videophone can be used. The speaker 2534 and the microphone 2532 can be used for videophone calls, recording and playing sound, and the like as well as voice calls.

また、外部接続端子2536はACアダプタ及びUSBケーブルなどの各種ケーブルと接
続可能であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また
、外部メモリスロット(図示せず)に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動
に対応できる。
The external connection terminal 2536 can be connected to an AC adapter and various types of cables such as a USB cable, and charging and data communication with a personal computer are possible. Further, a recording medium can be inserted into an external memory slot (not shown), and a larger amount of data can be stored and moved.

また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであっても
よい。
In addition to the above functions, an infrared communication function, a television reception function, or the like may be provided.

図22(E)は、デジタルビデオカメラであり、本体2541、表示部2542、操作ス
イッチ2543、バッテリー2544などによって構成されている。上述の実施の形態で
示した半導体装置を適用することにより、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすること
ができる。
FIG. 22E illustrates a digital video camera which includes a main body 2541, a display portion 2542, operation switches 2543, a battery 2544, and the like. By applying the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable digital video camera can be obtained.

図22(F)は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置2550は、
筐体2551に表示部2553が組み込まれている。表示部2553により、映像を表示
することが可能である。また、ここでは、スタンド2555により筐体2551を支持し
た構成を示している。上述の実施の形態で示した半導体装置を適用することにより、信頼
性の高いテレビジョン装置2550とすることができる。
FIG. 22F illustrates an example of a television set. The television device 2550
A display portion 2553 is incorporated in the housing 2551. Images can be displayed on the display portion 2553. Here, a structure in which the housing 2551 is supported by the stand 2555 is shown. By applying the semiconductor device described in any of the above embodiments, a highly reliable television set 2550 can be obtained.

テレビジョン装置2550の操作は、筐体2551が備える操作スイッチや、別体のリモ
コン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から
出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
The television device 2550 can be operated with an operation switch provided in the housing 2551 or a separate remote controller. Further, the remote controller may be provided with a display unit that displays information output from the remote controller.

なお、テレビジョン装置2550は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機に
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向(送信者から受信者)または双方向
(送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など)の情報通信を行うことも可能である。
Note that the television set 2550 is provided with a receiver, a modem, and the like. General TV broadcasts can be received by the receiver, and connected to a wired or wireless communication network via a modem, so that it can be unidirectional (sender to receiver) or bidirectional (sender and receiver). It is also possible to perform information communication between each other or between recipients).

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適
宜組み合わせて用いることができる。
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

本実施例では、シリコンを含有する酸化物半導体膜を作製し、当該酸化物半導体膜のシー
ト抵抗測定結果および、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelect
ron Spectroscopy)を用いて組成分析を行った結果について説明する。
In this embodiment, an oxide semiconductor film containing silicon is manufactured, the sheet resistance measurement result of the oxide semiconductor film, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoselect)
The results of composition analysis using ron spectroscopy) will be described.

本実施例では、それぞれ異なる濃度のSiO(0重量%、2重量%、5重量%)を添加
したターゲットについて、異なるガス流量(酸素33%、酸素100%)でスパッタリン
グを行って、酸化物半導体膜をガラス基板上に成膜してサンプルを作製した。
In this example, sputtering was performed at different gas flow rates (oxygen 33%, oxygen 100%) for targets to which different concentrations of SiO 2 (0 wt%, 2 wt%, 5 wt%) were added, and oxides were obtained. A semiconductor film was formed on a glass substrate to prepare a sample.

スパッタリングターゲットとしては、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]のIG
ZOターゲットと、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]のIGZOターゲットに
2重量%のSiOを添加したターゲットと、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比
]のIGZOターゲットに5重量%のSiOを添加したターゲットを用いた。
As a sputtering target, IG of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]
A target obtained by adding 2 % by weight of SiO 2 to an IGZO target of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio], and In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [number of atoms] Ratio] IGZO target with 5 wt% SiO 2 added.

それぞれのターゲットについて、ガス流量をO=10sccmまたはAr/O=10
sccm/5sccmとして酸化物半導体膜のスパッタリング成膜を行った。また、その
他の成膜条件は、全サンプル共通で、基板温度:200℃、成膜電力:100W(DC電
源)、成膜圧力:0.4Pa、膜厚:100nmとした。
For each target, the gas flow rate O 2 = 10 sccm or Ar / O 2 = 10
An oxide semiconductor film was formed by sputtering at sccm / 5 sccm. The other film formation conditions were common to all samples, and the substrate temperature was 200 ° C., the film formation power was 100 W (DC power supply), the film formation pressure was 0.4 Pa, and the film thickness was 100 nm.

つまり、SiOを添加しないターゲットを用いて酸素100%の雰囲気で成膜したサン
プルL、SiOを2重量%添加したターゲットを用いて酸素100%の雰囲気で成膜し
たサンプルM、SiOを5重量%添加したターゲットを用いて酸素100%の雰囲気で
成膜したサンプルN、SiOを添加しないターゲットを用いて酸素33%の雰囲気で成
膜したサンプルO、SiOを2重量%添加したターゲットを用いて酸素33%の雰囲気
で成膜したサンプルP、SiOを5重量%添加したターゲットを用いて酸素33%の雰
囲気で成膜したサンプルQを作製した。
That is, Sample L was deposited with 100% oxygen atmosphere using a target without the addition of SiO 2, samples were deposited in an atmosphere of 100% oxygen using a target in which the SiO 2 was added 2 wt% M, the SiO 2 5 wt% added samples N by using a target was deposited in an atmosphere of 100% oxygen, the sample O was deposited with oxygen 33% atmosphere using a target without the addition of SiO 2, the SiO 2 was added 2 wt% Sample P was formed in an atmosphere of 33% oxygen using a target, and sample Q was formed in an atmosphere of 33% oxygen using a target to which 5% by weight of SiO 2 was added.

さらに、サンプルL乃至サンプルQを抵抗発熱体を用いた電気炉に導入して加熱処理を行
った。当該加熱処理は、450℃のN雰囲気で1時間の加熱を行った後、450℃のO
雰囲気で1時間の加熱を行った。
Further, samples L to Q were introduced into an electric furnace using a resistance heating element and subjected to heat treatment. The heat treatment is performed by heating at 450 ° C. in an N 2 atmosphere for 1 hour, and then at 450 ° C. for O 2.
Heating was performed for 1 hour in two atmospheres.

以上の処理を施したサンプルL乃至サンプルQについてシート抵抗の測定を行った。サン
プルL乃至サンプルQのシート抵抗の測定結果を図23のグラフに示す。図23のグラフ
の縦軸にはシート抵抗(Ω/□)をとり、横軸にはターゲット中のSiO濃度(wt%
)をとっている。
Sheet resistance was measured for samples L to Q subjected to the above treatment. The measurement results of the sheet resistance of samples L to Q are shown in the graph of FIG. In FIG. 23, the vertical axis represents the sheet resistance (Ω / □), and the horizontal axis represents the SiO 2 concentration (wt%) in the target.
).

図23のグラフより、ターゲット中のSiO濃度が増えるにつれて、酸化物半導体膜の
シート抵抗も増加する傾向が見られる。ターゲットにSiOが添加されていないサンプ
ルLおよびサンプルOでは、シート抵抗が8×10Ω/□乃至1×10Ω/□程度で
あり、トランジスタなどの活性層として用いることができるシート抵抗となった。また、
ターゲット中のSiO濃度が2重量%のサンプルMおよびサンプルPでも、シート抵抗
が1×10Ω/□乃至3×10Ω/□程度であり、トランジスタなどの活性層として
用いることができるシート抵抗となった。しかし、ターゲット中のSiO濃度が5重量
%のサンプルNおよびサンプルQでは、シート抵抗が測定上限より大きく、トランジスタ
などの活性層として用いた場合オン電流が低下するおそれがある。
From the graph of FIG. 23, the sheet resistance of the oxide semiconductor film tends to increase as the SiO 2 concentration in the target increases. In Sample L and Sample O in which SiO 2 is not added to the target, the sheet resistance is about 8 × 10 5 Ω / □ to 1 × 10 6 Ω / □, and can be used as an active layer of a transistor or the like. It became. Also,
Sample M and sample P having a SiO 2 concentration of 2% by weight in the target also have a sheet resistance of about 1 × 10 6 Ω / □ to 3 × 10 6 Ω / □ and can be used as an active layer of a transistor or the like. It became sheet resistance. However, in Sample N and Sample Q having a SiO 2 concentration of 5% by weight in the target, the sheet resistance is larger than the upper limit of measurement, and the on-current may be lowered when used as an active layer such as a transistor.

このように、トランジスタの酸化物半導体膜の成膜に用いるターゲット中のSiO濃度
は低い方が好ましく、例えば、ターゲット中のSiO濃度は2重量%程度以下とすれば
よい。
As described above, the SiO 2 concentration in the target used for forming the oxide semiconductor film of the transistor is preferably low. For example, the SiO 2 concentration in the target may be about 2 wt% or less.

さらに本実施例においては、サンプルMおよびサンプルNと同様の条件で酸化物半導体膜
をシリコン基板上に成膜してサンプルを作製し、XPSを用いて組成分析を行った。
Further, in this example, an oxide semiconductor film was formed over a silicon substrate under the same conditions as those of Sample M and Sample N, a sample was manufactured, and composition analysis was performed using XPS.

スパッタリングターゲットとしては、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]のIG
ZOターゲットに2重量%のSiOを添加したターゲットと、In:Ga:Zn=1:
1:1[原子数比]のIGZOターゲットに5重量%のSiOを添加したターゲットを
用いた。
As a sputtering target, IG of In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic ratio]
A target obtained by adding 2 wt% SiO 2 to a ZO target; and In: Ga: Zn = 1:
A target in which 5% by weight of SiO 2 was added to a 1: 1 [atomic ratio] IGZO target was used.

成膜条件は、ガス流量:O=10sccm、基板温度:200℃、成膜電力:100W
(DC電源)、成膜圧力:0.4Pa、膜厚:15nmとした。
The film formation conditions are: gas flow rate: O 2 = 10 sccm, substrate temperature: 200 ° C., film formation power: 100 W
(DC power supply), film forming pressure: 0.4 Pa, film thickness: 15 nm.

つまり、SiOを2重量%添加したターゲットを用いて酸素100%の雰囲気で成膜し
たサンプルR、SiOを5重量%添加したターゲットを用いて酸素100%の雰囲気で
成膜したサンプルSを作製した。
That is, sample R was deposited in an atmosphere of 100% oxygen using a target obtained by adding SiO 2 2 wt%, the sample S was deposited in an atmosphere of 100% oxygen using a target obtained by adding SiO 2 5 wt% Produced.

サンプルRおよびサンプルSについてXPSを用いて組成分析を行った結果、サンプルR
の酸化物半導体膜中のシリコンの濃度は、1.1原子%であり、サンプルSの酸化物半導
体膜中のシリコンの濃度は、2.6原子%であった。つまり、SiOを2重量%添加し
たターゲットを用いた酸化物半導体膜中のシリコンの濃度は、1.1原子%であり、Si
を5重量%添加したターゲットを用いた酸化物半導体膜中のシリコンの濃度は、2.
6原子%であった。
Sample R and sample S were subjected to composition analysis using XPS.
The concentration of silicon in the oxide semiconductor film was 1.1 atomic%, and the concentration of silicon in the oxide semiconductor film of Sample S was 2.6 atomic%. That is, the concentration of silicon in the oxide semiconductor film using the target to which 2 wt% of SiO 2 is added is 1.1 atomic%, and Si
The silicon concentration in the oxide semiconductor film using the target to which 5% by weight of O 2 is added is 2.
It was 6 atomic%.

上述のように、ミキシングなどによって酸化物半導体膜のゲート絶縁膜との界面近傍にシ
リコンなどの不純物が混入すると、チャネル形成領域の抵抗が増大し、当該トランジスタ
のオン電流が低下するおそれがある。よって、酸化物半導体膜のゲート絶縁膜との界面近
傍において、上記のようにシリコンの濃度を低減させることが重要である。
As described above, when an impurity such as silicon is mixed in the vicinity of the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film by mixing or the like, the resistance of the channel formation region may increase, and the on-state current of the transistor may be reduced. Therefore, it is important to reduce the silicon concentration as described above in the vicinity of the interface between the oxide semiconductor film and the gate insulating film.

実施の形態1にて説明したとおり、上述実施の形態に用いる酸化物半導体膜としては、C
AAC−OS膜を用いることが好ましいが、CAAC−OS膜中にシリコンが混入するこ
とで、CAAC−OS膜の結晶構造が変化することが懸念される。
As described in Embodiment 1, the oxide semiconductor film used in the above embodiment includes C
Although an AAC-OS film is preferably used, there is a concern that the crystal structure of the CAAC-OS film may be changed by mixing silicon into the CAAC-OS film.

そこで、本実施例では、CAAC−OS膜のように高い結晶性を備えた酸化物半導体膜中
にシリコンがどの程度の濃度で混入すると酸化物半導体膜の結晶構造が失われるかを計算
した結果について説明する。
Therefore, in this example, the calculation result of the concentration of silicon mixed in an oxide semiconductor film having high crystallinity such as a CAAC-OS film loses the crystal structure of the oxide semiconductor film is calculated. Will be described.

本実施例における計算では、計算手法として「古典分子動力学法」を用い、計算には富士
通株式会社の「SCIGRESS−ME」を用いた。
In the calculation in this example, “classical molecular dynamics method” was used as the calculation method, and “SCIGRESS-ME” from Fujitsu Limited was used for the calculation.

また、高い結晶性を備えた膜として、1680原子のInGaZnOの単結晶構造モデ
ル(図24(A)参照。)を用いた。なお、当該モデルの密度は6.36g/cmであ
る。
In addition, as a film having high crystallinity, a single crystal structure model (see FIG. 24A) of InGaZnO 4 having 1680 atoms was used. The density of the model is 6.36 g / cm 3 .

そして、上述モデルについて、定温定圧状態(圧力:1atm、温度:300℃)におい
て、In原子2個、Ga原子2個、Zn原子2個および酸素原子8個をSi原子に置き換
えたサンプル(以下、サンプルAと記載する。)と、In原子3個、Ga原子3個、Zn
原子3個および酸素原子12個をSi原子に置き換えたサンプル(以下、サンプルBと記
載する。)について、初期構造および2nsec後の構造を計算した。
For the above model, in a constant temperature and constant pressure state (pressure: 1 atm, temperature: 300 ° C.), a sample in which 2 In atoms, 2 Ga atoms, 2 Zn atoms and 8 oxygen atoms are replaced with Si atoms (hereinafter, Described as Sample A), 3 In atoms, 3 Ga atoms, Zn
For a sample in which 3 atoms and 12 oxygen atoms were replaced with Si atoms (hereinafter referred to as sample B), the initial structure and the structure after 2 nsec were calculated.

なお、サンプルAで置換したSiは、全体構造(1680原子)の0.83原子%(0.
52重量%)であり、サンプルBで置換したSiは、全体構造の1.25原子%(0.7
9重量%)である。
In addition, Si substituted by the sample A is 0.83 atomic% (0.
52% by weight) and Si substituted by Sample B is 1.25 atomic% (0.7%) of the entire structure.
9% by weight).

まず、初期状態(0nsec)におけるサンプルAの構造およびサンプルBの構造を図2
4(A)および図24(B)に示すと共に、図24(C)に、In原子、Ga原子、Zn
原子およびO原子をSi原子に置換していない場合のサンプル(以下、サンプルCと記載
する)の構造を示す。
First, the structure of sample A and the structure of sample B in the initial state (0 nsec) are shown in FIG.
4 (A) and FIG. 24 (B), and FIG. 24 (C) shows In atom, Ga atom, Zn
The structure of a sample (hereinafter referred to as sample C) in which atoms and O atoms are not substituted with Si atoms is shown.

図24より、初期状態においては、サンプルAおよびサンプルBともに、サンプルCと同
様に高い結晶性を有していることが確認される。
From FIG. 24, it is confirmed that in the initial state, both sample A and sample B have high crystallinity like sample C.

次に、図25に、2nsec後におけるサンプルAおよびサンプルBの結晶状態について
説明する。
Next, the crystal states of Sample A and Sample B after 2 nsec will be described with reference to FIG.

まず、図25(A)は、2nsec後におけるサンプルAの結晶状態である。そして、当
該構造が結晶性を有している否かを調査するため、当該構造に対して動径分布関数g(r
)を求めた。
First, FIG. 25A shows the crystal state of sample A after 2 nsec. In order to investigate whether or not the structure has crystallinity, the radial distribution function g (r
)

なお、上述「動径分布関数g(r)」とは、ある原子から距離r離れた位置において、他
の原子が存在する確率密度を表す関数であり、原子同士の相関がなくなっていくと、g(
r)は1に近づく。
The above-mentioned “radial distribution function g (r)” is a function representing the probability density that other atoms exist at a position r away from a certain atom, and when the correlation between the atoms disappears, g (
r) approaches 1.

サンプルAにおける動径分布関数の計算結果を、図25(B)に示す。図25(B)は、
横軸が距離r(nm)、縦軸が動径分布関数g(r)である。なお、図中の実線はサンプ
ルAの動径分布関数を表す線であり、破線はサンプルCの動径分布関数を表す線である。
The calculation result of the radial distribution function in sample A is shown in FIG. FIG. 25 (B)
The horizontal axis is the distance r (nm), and the vertical axis is the radial distribution function g (r). The solid line in the figure is a line representing the radial distribution function of sample A, and the broken line is a line representing the radial distribution function of sample C.

図25(B)より、2nsec後におけるサンプルAの動径分布関数は、サンプルCの動
径分布関数と同様にr(nm)が長距離になっても秩序がある(ピークがある、とも表現
できる。)。このことより、結晶性を保っていることが示唆される。
From FIG. 25B, the radial distribution function of sample A after 2 nsec is ordered even if r (nm) becomes a long distance in the same manner as the radial distribution function of sample C (also expressed as having a peak). it can.). This suggests that crystallinity is maintained.

同様に、図26(A)に2nsec後におけるサンプルBの結晶状態を、図26(B)に
当該構造における動径分布関数g(r)の計算結果を示す。なお、図26(B)の実線は
サンプルBの動径分布関数を表す線であり、破線はサンプルCの動径分布関数を表す線で
ある。
Similarly, FIG. 26A shows the crystal state of sample B after 2 nsec, and FIG. 26B shows the calculation result of the radial distribution function g (r) in the structure. Note that the solid line in FIG. 26B is a line representing the radial distribution function of sample B, and the broken line is a line representing the radial distribution function of sample C.

図26(A)より、2nsec後におけるサンプルBの構造は、図24(B)にて示した
初期状態におけるサンプルBの構造と比較して、明らかに構造が変化していることが分か
る。
FIG. 26A shows that the structure of sample B after 2 nsec clearly changes compared to the structure of sample B in the initial state shown in FIG.

また、2nsec後におけるサンプルBの動径分布関数を表す図26(B)を見ても、r
(nm)の距離が長くなることで秩序が無くなり平坦な線となっている(ピークが消失し
ている、とも表現できる。)。このことより、結晶性が保たれていない(つまり、アモル
ファス化している)ことが示唆される。
Also, looking at FIG. 26 (B) showing the radial distribution function of sample B after 2 nsec, r
As the distance of (nm) becomes longer, the order is lost and a flat line is formed (it can also be expressed that the peak disappears). This suggests that the crystallinity is not maintained (that is, amorphous).

本明細書中において、半導体層として酸化物半導体膜を用いた半導体装置では、ゲート絶
縁膜との界面から酸化物半導体膜に向けてシリコンの濃度が1.1原子%以下の濃度で分
布する領域を有することが好ましい旨の説明を行ったが、本実施例の結果より、半導体層
としてCAAC−OS膜のように高い結晶性を備えた酸化物半導体膜を使用する場合は、
ゲート絶縁膜との界面から酸化物半導体膜に向けてシリコンの濃度が0.83原子%以下
の濃度で分布する領域を有する構造とすることが、より好ましいことが確認された。
In this specification, in a semiconductor device using an oxide semiconductor film as a semiconductor layer, a region in which a silicon concentration is distributed at a concentration of 1.1 atomic% or less from an interface with a gate insulating film toward an oxide semiconductor film In the case where an oxide semiconductor film having high crystallinity such as a CAAC-OS film is used as a semiconductor layer from the result of this example,
It was confirmed that a structure having a region in which the silicon concentration is distributed at a concentration of 0.83 atomic% or less from the interface with the gate insulating film toward the oxide semiconductor film is confirmed.

100 基板
102 絶縁膜
106 酸化物半導体膜
106a 領域
106b 領域
106c 低抵抗領域
107 絶縁膜
108 ゲート絶縁膜
109 導電膜
110 ゲート電極
114a ソース電極
114b ドレイン電極
130 不純物イオン
150 トランジスタ
602 導電膜
650 トランジスタ
800 層間絶縁膜
802 層間絶縁膜
850 トランジスタ
1100 絶縁膜
1101 絶縁膜
1102 側壁絶縁膜
1104 導電膜
1150 トランジスタ
1350 トランジスタ
1700 基板
1706 素子分離絶縁層
1708 ゲート絶縁膜
1710 ゲート電極
1716 チャネル形成領域
1720 不純物領域
1724 金属間化合物領域
1728 絶縁層
1730 絶縁層
1735 層間絶縁膜
1736a 側壁絶縁膜
1736b 側壁絶縁膜
1737 絶縁膜
1742a 電極膜
1742b 電極膜
1744 酸化物半導体膜
1748 ゲート電極
1750 絶縁膜
1752 絶縁膜
1753 導電層
1756 配線
1760 トランジスタ
1762 トランジスタ
1764 容量素子
1850 メモリセル
1851 メモリセルアレイ
1851a メモリセルアレイ
1851b メモリセルアレイ
1853 周辺回路
2001 トランジスタ
2002 トランジスタ
2003 トランジスタ
2004 トランジスタ
2005 トランジスタ
2006 トランジスタ
2007 Xデコーダー
2008 Yデコーダー
2011 トランジスタ
2012 保持容量
2013 Xデコーダー
2014 Yデコーダー
2101 RF回路
2102 アナログベースバンド回路
2103 デジタルベースバンド回路
2104 バッテリー
2105 電源回路
2106 アプリケーションプロセッサ
2107 CPU
2108 DSP
2109 インターフェイス
2110 フラッシュメモリ
2111 ディスプレイコントローラ
2112 メモリ回路
2113 ディスプレイ
2114 表示部
2115 ソースドライバ
2116 ゲートドライバ
2117 音声回路
2118 キーボード
2119 タッチセンサ
2250 メモリ回路
2251 メモリコントローラ
2252 メモリ
2253 メモリ
2254 スイッチ
2255 スイッチ
2256 ディスプレイコントローラ
2257 ディスプレイ
2301 バッテリー
2302 電源回路
2303 マイクロプロセッサ
2304 フラッシュメモリ
2305 音声回路
2306 キーボード
2307 メモリ回路
2308 タッチパネル
2309 ディスプレイ
2310 ディスプレイコントローラ
2501 本体
2502 筐体
2503 表示部
2504 キーボード
2511 本体
2512 スタイラス
2513 表示部
2514 操作ボタン
2515 外部インターフェイス
2520 電子書籍
2521 筐体
2522 軸部
2523 筐体
2525 表示部
2526 電源
2527 表示部
2528 操作キー
2529 スピーカー
2530 筐体
2531 ボタン
2532 マイクロフォン
2533 表示部
2534 スピーカー
2535 カメラ用レンズ
2536 外部接続端子
2541 本体
2542 表示部
2543 操作スイッチ
2544 バッテリー
2550 テレビジョン装置
2551 筐体
2553 表示部
2555 スタンド
100 substrate 102 insulating film 106 oxide semiconductor film 106a region 106b region 106c low resistance region 107 insulating film 108 gate insulating film 109 conductive film 110 gate electrode 114a source electrode 114b drain electrode 130 impurity ions 150 transistor 602 conductive film 650 transistor 800 interlayer insulation Film 802 interlayer insulating film 850 transistor 1100 insulating film 1101 insulating film 1102 sidewall insulating film 1104 conductive film 1150 transistor 1350 transistor 1700 substrate 1706 element isolation insulating layer 1708 gate insulating film 1710 gate electrode 1716 channel formation region 1720 impurity region 1724 intermetallic compound region 1728 Insulating layer 1730 Insulating layer 1735 Interlayer insulating film 1736a Side wall insulating film 1736b Side wall insulating film 1737 Insulating film 174 a electrode film 1742b electrode film 1744 oxide semiconductor film 1748 gate electrode 1750 insulating film 1752 insulating film 1753 conductive layer 1756 wiring 1760 transistor 1762 transistor 1764 capacitor 1850 memory cell 1851 memory cell array 1851a memory cell array 1851b memory cell array 1853 peripheral circuit 2001 transistor 2002 Transistor 2003 Transistor 2004 Transistor 2005 Transistor 2006 Transistor 2007 X decoder 2008 Y decoder 2011 Transistor 2012 Storage capacitor 2013 X decoder 2014 Y decoder 2101 RF circuit 2102 Analog baseband circuit 2103 Digital baseband circuit 2104 Battery 2105 Power supply circuit 2106 Application processor 2107 CPU
2108 DSP
2109 Interface 2110 Flash memory 2111 Display controller 2112 Memory circuit 2113 Display 2114 Display unit 2115 Source driver 2116 Gate driver 2117 Audio circuit 2118 Keyboard 2119 Touch sensor 2250 Memory circuit 2251 Memory controller 2252 Memory 2253 Memory 2254 Switch 2255 Switch 2256 Display controller 2257 Display 2301 Battery 2302 Power supply circuit 2303 Microprocessor 2304 Flash memory 2305 Audio circuit 2306 Keyboard 2307 Memory circuit 2308 Touch panel 2309 Display 2310 Display controller 2501 Main body 2502 Case 2503 Display unit 2504 Key Main body 2512 Main body 2512 Stylus 2513 Display unit 2514 Operation button 2515 External interface 2520 Electronic book 2521 Case 2522 Shaft unit 2523 Case 2525 Display unit 2526 Power supply 2527 Display unit 2528 Operation key 2529 Speaker 2530 Case 2531 Button 2532 Microphone 2533 Display unit 2534 Speaker 2535 Camera lens 2536 External connection terminal 2541 Main body 2542 Display unit 2543 Operation switch 2544 Battery 2550 Television apparatus 2551 Case 2553 Display unit 2555 Stand

Claims (2)

酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上において、少なくとも前記酸化物半導体膜と重畳するゲート電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、炭素を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記ゲート絶縁膜側の界面から前記酸化物半導体膜に向けて炭素の濃度が1.0×1020atoms/cm以下の濃度で分布する第1の領域を有し、
前記酸化物半導体膜は、前記第1の領域とは異なる第2の領域を有し、
前記第2の領域に含まれる炭素の濃度は、前記第1の領域に含まれる炭素の濃度より小さい半導体装置。
An oxide semiconductor film;
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A gate electrode overlapping with at least the oxide semiconductor film on the gate insulating film;
The gate insulating film comprises carbon;
The oxide semiconductor film has a first region in which a concentration of carbon is distributed at a concentration of 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or less from the interface on the gate insulating film side toward the oxide semiconductor film. ,
The oxide semiconductor film has a second region different from the first region,
The semiconductor device wherein the concentration of carbon contained in the second region is smaller than the concentration of carbon contained in the first region.
酸化物半導体膜と、
前記酸化物半導体膜上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上において、少なくとも前記酸化物半導体膜と重畳するゲート電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、炭素を有し、
前記酸化物半導体膜は、第1の領域と、第2の領域とを有し、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも、前記ゲート絶縁膜側に位置し、
前記第1の領域に含まれる炭素の濃度は、1.0×1020atoms/cm以下であり、
前記第2の領域に含まれる炭素の濃度は、前記第1の領域に含まれる炭素の濃度より小さい半導体装置。
An oxide semiconductor film;
A gate insulating film on the oxide semiconductor film;
A gate electrode overlapping with at least the oxide semiconductor film on the gate insulating film;
The gate insulating film comprises carbon;
The oxide semiconductor film has a first region and a second region,
The first region is located closer to the gate insulating film than the second region,
The concentration of carbon contained in the first region is 1.0 × 10 20 atoms / cm 3 or less,
The semiconductor device wherein the concentration of carbon contained in the second region is smaller than the concentration of carbon contained in the first region.
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